房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用之我見

廖海龍（九江市城市規(guī)劃市政設(shè)計(jì)院，江西九江332000）

房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用之我見

廖海龍（九江市城市規(guī)劃市政設(shè)計(jì)院，江西九江332000）

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，對(duì)居住品質(zhì)、環(huán)境的要求越來越高，進(jìn)而對(duì)住房的質(zhì)量、適用性、美觀等都有更高的要求；同時(shí)，房屋開發(fā)商既關(guān)注于項(xiàng)目的技術(shù)質(zhì)量，也開始重視項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)質(zhì)量。這些市場需求上的變化，直接對(duì)房地產(chǎn)商的房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求，如何優(yōu)化房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為一項(xiàng)十分重要的研究課題。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化不僅能更好滿足用戶、開發(fā)商的需求，而且可以創(chuàng)新房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思路，對(duì)于提高房屋建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量也有著重要的參考價(jià)值。

房屋建筑結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)；優(yōu)化；技術(shù)應(yīng)用

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，對(duì)居住品質(zhì)、環(huán)境的要求越來越高，進(jìn)而對(duì)住房的質(zhì)量、適用性、美觀等都有更高的要求。同時(shí)，房屋開發(fā)商既關(guān)注于項(xiàng)目的技術(shù)質(zhì)量，也開始重視項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)質(zhì)量。大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和實(shí)踐表明，前期策劃和設(shè)計(jì)階段影響整個(gè)房地產(chǎn)項(xiàng)目投資在80%以上，而結(jié)構(gòu)成本占到建安成本的40～60%，且結(jié)構(gòu)成本還常常由于策劃及設(shè)計(jì)管理的好壞出現(xiàn)非常大的波動(dòng)，因此結(jié)構(gòu)成本的控制管理就成為整個(gè)設(shè)計(jì)階段成本管理的重中之重。故在滿足安全和規(guī)范的前提下，控制結(jié)構(gòu)造價(jià)成為投資方對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要的要求?；谝陨鲜袌鲂枨蟮淖兓?，對(duì)房地產(chǎn)商的房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。結(jié)構(gòu)工程師需要以深厚的理論基礎(chǔ)、豐富的工程經(jīng)驗(yàn)為前提，以對(duì)設(shè)計(jì)規(guī)范實(shí)質(zhì)內(nèi)涵的理解和靈活運(yùn)用為指導(dǎo)，以先進(jìn)的結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)方法為手段對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行深化、調(diào)整、改善與提高。

1　房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的內(nèi)容

1.1方案階段的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在方案階段，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)容體現(xiàn)在：重視結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)；對(duì)建筑結(jié)構(gòu)體系選擇進(jìn)行宏觀上的比較，進(jìn)行優(yōu)選。在這一過程中，應(yīng)結(jié)合建筑工程的具體情況，充分考慮工程的整體經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，綜合考慮各種因素而得到一個(gè)科學(xué)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡可能采用平面布置較規(guī)則的平面布局，結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置較均勻，有利于縮小建筑的剛度中心和質(zhì)量中心的距離，減少結(jié)構(gòu)在地震中的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；沿建筑物豎向，建筑體型和結(jié)構(gòu)布置也應(yīng)盡可能連續(xù)、均勻，避免剛度、承載力和傳力途徑的突變以限制在豎向某一樓層或幾個(gè)樓層出現(xiàn)敏感的薄弱部位，從而減少這些部位在地震和風(fēng)荷載作用時(shí)產(chǎn)生過大的應(yīng)力集中或過大的變形進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)失效的可能性。

1.2初步設(shè)計(jì)階段的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在初步設(shè)計(jì)階段主要是進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置，確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸和材料（主要是混凝土和鋼筋）的強(qiáng)度等，挑選符合結(jié)構(gòu)實(shí)際受力狀態(tài)的結(jié)構(gòu)分析軟件上機(jī)試算。除此之外，還應(yīng)根據(jù)上部結(jié)構(gòu)及場地地質(zhì)水文條件的具體情況選擇合理的基礎(chǔ)形式，確定基礎(chǔ)的平面布置及基礎(chǔ)構(gòu)件的尺寸。

在這一階段，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)體現(xiàn)在：

（1）輸入合理的計(jì)算參數(shù)；

（2）按精細(xì)化的要求準(zhǔn)確輸入荷載信息；

（3）判斷結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果的合理有效性。

單位面積總荷載標(biāo)準(zhǔn)值是否合理，墻柱軸壓比是否接近規(guī)范上限值且又使大部分墻柱為構(gòu)造配筋，樓層層間位移盡量接近規(guī)范上限值，使結(jié)構(gòu)不致因剛度過大造成成本增加，墻、柱、梁、板計(jì)算結(jié)構(gòu)有無超筋、普遍偏大或偏小。

（4）根據(jù)計(jì)算結(jié)果判斷構(gòu)件幾何尺寸、材料參數(shù)（強(qiáng)度、彈性模量）的選取是否合理，反復(fù)調(diào)整，直至趨于合理，確保結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)合理性。

1.3施工圖階段的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

施工圖階段建筑和設(shè)備專業(yè)往往會(huì)在初步設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行局部修改。結(jié)構(gòu)專業(yè)應(yīng)在此修改的基礎(chǔ)上調(diào)整修改模型，重新計(jì)算；應(yīng)充分考慮細(xì)節(jié)的前提下，最后確定各構(gòu)件的截面尺寸和配筋。該階段的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)體現(xiàn)在：

（1）結(jié)構(gòu)計(jì)算方面同初步設(shè)計(jì)階段內(nèi)容。

（2）合理確定歸并系數(shù)，合理設(shè)置選筋庫。

（3）配筋設(shè)計(jì)：配筋超配率宜控制在計(jì)算結(jié)構(gòu)和構(gòu)造要求的較大值的5%以內(nèi)，不應(yīng)超過10%（復(fù)雜結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)部位除外）。

（4）繪制結(jié)構(gòu)詳圖中，選取合理的結(jié)構(gòu)型式和配筋構(gòu)造。

（5）在施工圖繪制完成后再進(jìn)行仔細(xì)檢查，調(diào)整不合理配筋。

2　房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的重要性

2.1可以提高建筑空間使用率、節(jié)材節(jié)能，促進(jìn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展

在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通過優(yōu)化可以合理充分的利用材料的性能、提高空間使用率、節(jié)材節(jié)能，有利于保護(hù)環(huán)境，促進(jìn)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，符合國家保護(hù)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展觀。例如，在確定建筑層高時(shí)，通過合理選擇樓蓋結(jié)構(gòu)體系，降低樓層層高，可節(jié)約墻體材料，提高空間使用率，降低工程總造價(jià)。

在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)選、優(yōu)化是十分重要的，可以最大程度上降低建造的成本，同時(shí)也可以節(jié)約資源，實(shí)現(xiàn)生態(tài)與經(jīng)濟(jì)效益的完美結(jié)合。

2.2可以降低工程總造價(jià)，提高項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益

工程結(jié)構(gòu)造價(jià)在建筑工程總投資中占有很大比例，控制工程總投資就必須控制好結(jié)構(gòu)成本。在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通過優(yōu)化可以合理充分的利用材料的性能，控制不過度提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料用量，從而為工程項(xiàng)目節(jié)約成本，提高項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益，這也是市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要；設(shè)計(jì)單位通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，降低了不必要的土建成本，在建筑設(shè)計(jì)市場中才有可能占據(jù)一定的先機(jī)。

2.3可以使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更趨于合理

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的過程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更趨于合理，不僅不會(huì)降低結(jié)構(gòu)的安全度，還會(huì)提高結(jié)構(gòu)的整體安全度。從而使得安全性和經(jīng)濟(jì)性兩者達(dá)到很好的統(tǒng)一。

3　房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用

目前在建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)際操作中，更多的是采用“分析和校核”基礎(chǔ)上的“綜合與優(yōu)選”的方法，真正的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件還不完善，需要繼續(xù)深入進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論研究，同時(shí)編制符合設(shè)計(jì)實(shí)際需要的計(jì)算機(jī)程序，在實(shí)踐中檢驗(yàn)、提高。

3.1房屋建筑設(shè)計(jì)方案中的優(yōu)化技術(shù)

房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工作是一個(gè)非線性的工作，在這個(gè)過程中最常用的方法主要有拉格朗日乘子法、可行方向法等。在房屋建筑結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)的前期就可以提取出一個(gè)參考的總體框架，在這個(gè)框架下，對(duì)房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。

3.2構(gòu)建對(duì)房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化的模型

對(duì)房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，就是科學(xué)、合理的方法以計(jì)算出最優(yōu)的解決方案。在對(duì)房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中進(jìn)行優(yōu)化時(shí)：①對(duì)設(shè)計(jì)變量有一個(gè)科學(xué)的選擇，在一般情況下，對(duì)于設(shè)計(jì)變量的設(shè)定要充分考慮到各類影響因素的作用，將其中對(duì)變化影響不大的參數(shù)定高預(yù)定參數(shù)，使用這種方法可以減少很多計(jì)算編程方面的工作，有效地提高了工作效率；②就是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的確定，這也是十分重要的一項(xiàng)工作，使用相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)可以保證優(yōu)化中的各個(gè)約束條件都是符合相應(yīng)的規(guī)范的，從而保證了房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化工作的規(guī)范化與科學(xué)化。

3.3房屋建筑框架設(shè)計(jì)部分優(yōu)化技術(shù)

（1）分布優(yōu)化技術(shù)。通過對(duì)房屋建筑整體的內(nèi)力分析從而得到各個(gè)部分的受力情況，從而對(duì)各個(gè)部分的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。

（2）框架梁截面最優(yōu)化尺寸?？蚣芰旱膬?nèi)力主要是由框架結(jié)構(gòu)的整體內(nèi)力進(jìn)行分解而得到的，在充分考慮到載荷最不利的情況下畫出相應(yīng)的彎矩包絡(luò)圖，可以讓相應(yīng)的技術(shù)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在25～35%的幅度之內(nèi)設(shè)定框架梁的彎矩，從而可以加速框架梁的迭代收斂。

4　結(jié)語

總的來說，房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的優(yōu)化技術(shù)可以提高房屋建筑工程的總體質(zhì)量，同時(shí)也能在滿足房屋建筑安全、適用的前提下更好實(shí)現(xiàn)房屋建筑的經(jīng)濟(jì)效益。但是也要看到目前基于最優(yōu)化技術(shù)和計(jì)算技術(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化理論的工程化應(yīng)用還十分有限，真正的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件還不完善，需要繼續(xù)深入進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論研究，加大實(shí)踐，編制符合設(shè)計(jì)實(shí)際需要的計(jì)算機(jī)程序。

[1]朱杰江，主編.建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化及應(yīng)用.北京大學(xué)出版社，2011.

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2095-2066（2016）31-0137-02

2016-10-23