建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)探討

杜 相 安

(太原市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030012)

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建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)探討

杜 相 安

(太原市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030012)

論述了建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的意義，從結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型、房屋建筑整體結(jié)構(gòu)選擇、信息化技術(shù)、節(jié)能設(shè)計(jì)等方面，闡述了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常用的優(yōu)化技術(shù)，最后對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)的前景進(jìn)行了評(píng)價(jià)與展望。

建筑結(jié)構(gòu)，優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)濟(jì)性

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，各行各業(yè)都對(duì)建筑提出了自己的獨(dú)特要求，建筑行業(yè)一時(shí)間得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展，同時(shí)建筑建造工程也成為社會(huì)上造成環(huán)境污染、資源緊張的主要工程之一。建筑工程的時(shí)間和資金成本有很大一部分是花費(fèi)在建筑結(jié)構(gòu)的建造上，而建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化有助于在保證建筑質(zhì)量的前提下，綜合各個(gè)影響建筑性能的因素，提高建筑材料利用率、使建筑結(jié)構(gòu)更加科學(xué)合理，降低建筑成本，提高建筑的經(jīng)濟(jì)效益。因此，建筑師在建筑設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意學(xué)習(xí)運(yùn)用，并不斷改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，以提高建筑的整體性能、降低建筑結(jié)構(gòu)的成本，進(jìn)而提高建筑的整體經(jīng)濟(jì)效益。

1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的意義

眾所周知，房屋建筑結(jié)構(gòu)直接影響著房屋的功能與質(zhì)量，優(yōu)化房屋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于房屋安全性、持久性、美觀性、經(jīng)濟(jì)性等都具有十分重要的意義。在房屋建造中，許多因素相互制約著，如果結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，很容易顧此而失彼。這些因素包括建筑物層數(shù)、土地占有、建筑物結(jié)構(gòu)分布、建筑物結(jié)構(gòu)外觀及經(jīng)濟(jì)性等。以采光性和建筑密度的關(guān)系為例，如果要求在確定的地皮上建造更多建筑面積，那就不得不增加建筑高度，而建筑高度的增加，勢(shì)必會(huì)影響相鄰樓的采光性。而建筑設(shè)計(jì)優(yōu)化，則是兼顧各個(gè)影響因素，根據(jù)業(yè)主對(duì)建筑的功能要求，找到各個(gè)因素的最佳結(jié)合點(diǎn)，從而提高建筑的經(jīng)濟(jì)性與適用性。

2 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要優(yōu)化技術(shù)

2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型

建筑結(jié)構(gòu)的可行性直接影響著建造成本的分配情況，分析其可行性的具體原理為將結(jié)構(gòu)化的理念引入到建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中來(lái)，在各種影響變量中選擇主要參數(shù)，建立函數(shù)模型并得到建筑的最優(yōu)解。首先要選擇合理的影響變量，具體來(lái)說(shuō)，就是將對(duì)建筑結(jié)構(gòu)性能影響不大的參數(shù)設(shè)置為預(yù)定參數(shù)，將影響較大的參數(shù)設(shè)置為設(shè)計(jì)變量，以減少計(jì)算量；其次，根據(jù)選定的設(shè)計(jì)變量的相互關(guān)系來(lái)建立目標(biāo)函數(shù)，并且通過(guò)此函數(shù)，尋找在約束條件下的最優(yōu)解；最后，設(shè)定約束條件。建筑結(jié)構(gòu)可靠性的要求約束條件包括應(yīng)力、裂縫強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等各個(gè)方面，并且在尋找到最優(yōu)解之后，還要使用分析軟件對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行構(gòu)圖模擬，測(cè)試設(shè)計(jì)方案是否達(dá)到最初的設(shè)計(jì)要求，以及有哪些需要改進(jìn)的問(wèn)題。由此在全面的調(diào)查分析研究及精準(zhǔn)的簡(jiǎn)圖計(jì)算基礎(chǔ)上，結(jié)合之后的模擬檢驗(yàn)，使最終的方案設(shè)計(jì)更加科學(xué)合理。

2.2 房屋建筑整體結(jié)構(gòu)的選擇

建筑自身的結(jié)構(gòu)類(lèi)型對(duì)房屋建筑的工程成本有很大的影響，普通房屋建筑的結(jié)構(gòu)類(lèi)型主要包括以下幾種：

1)抗風(fēng)墻類(lèi)型。此結(jié)構(gòu)類(lèi)型被廣泛應(yīng)用于高層建筑中，以混凝土為基礎(chǔ)，其優(yōu)點(diǎn)是建筑抗震能力強(qiáng)，并且鋼筋等材料使用數(shù)量較少。2)框架類(lèi)型。這種結(jié)構(gòu)類(lèi)型的優(yōu)點(diǎn)是在建筑結(jié)構(gòu)布局上很靈活并且造價(jià)較低，其缺點(diǎn)是柱結(jié)構(gòu)自身的截面較大，因而降低了抗震能力。3)混合結(jié)構(gòu)類(lèi)型。這種建筑結(jié)構(gòu)類(lèi)型綜合了以上兩種結(jié)構(gòu)類(lèi)型的優(yōu)點(diǎn)，并適當(dāng)規(guī)避了不必要的缺點(diǎn)。這種建筑結(jié)構(gòu)類(lèi)型廣泛應(yīng)用于日常的工程建設(shè)中，應(yīng)用性較強(qiáng)并且結(jié)構(gòu)布置等方面的合理性、科學(xué)性都有所提高，而且這種混合結(jié)構(gòu)類(lèi)型的抗震和抗側(cè)力能力很強(qiáng)，因此通常運(yùn)用于民用建筑工程中。

以上三種建筑結(jié)構(gòu)類(lèi)型都優(yōu)缺點(diǎn)共存，并且在不同類(lèi)型建筑上有所發(fā)揮。因此，具體分析和選擇建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案具有十分重要的意義。在建筑工程開(kāi)始之前，施工單位要考慮業(yè)主和實(shí)地情況對(duì)建筑性能的種種要求，使建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案不僅能夠滿足業(yè)主的要求，還可以提高建筑的經(jīng)濟(jì)性，一舉兩得。

2.3 信息化技術(shù)的合理應(yīng)用

在房屋建筑施工過(guò)程中，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案受到許多因素的制約，這將對(duì)工程的整體進(jìn)度、建筑施工造成很大影響。因此，建筑工程需要將許多在施工過(guò)程中可能會(huì)遇到的細(xì)節(jié)問(wèn)題納入考慮范圍，綜合到建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中來(lái)，以確保之后的正式建筑施工能順利展開(kāi)。如今計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算等技術(shù)日趨成熟，這些信息化技術(shù)的應(yīng)用可以幫助建筑設(shè)計(jì)工程師預(yù)測(cè)建筑建造過(guò)程中可能出現(xiàn)的細(xì)節(jié)問(wèn)題。例如：通過(guò)一些可以定義施工參數(shù)的電腦軟件，就可以既精準(zhǔn)又快速地完成相應(yīng)任務(wù)。在房屋建筑優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，常常只將對(duì)建筑性能影響加大的因素納入綜合設(shè)計(jì)范圍，而對(duì)那些影響較小的細(xì)節(jié)問(wèn)題作為非重要因素忽略，這容易給房屋建筑施工過(guò)程帶來(lái)隱患。電腦設(shè)計(jì)軟件就可以減少甚至避免此類(lèi)問(wèn)題的出現(xiàn)，從而彌補(bǔ)設(shè)計(jì)工程師的不足。通過(guò)使用電腦設(shè)計(jì)軟件不僅大幅度提高了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師的工作效率，也有力地保障了建筑施工的順利開(kāi)展。

TBCAD系統(tǒng)是建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)使用最為廣泛的軟件，其通過(guò)詳細(xì)分析結(jié)構(gòu)方案、結(jié)合各種資源來(lái)更加優(yōu)秀地完成優(yōu)化設(shè)計(jì)。TBCAD系統(tǒng)實(shí)際操作過(guò)程可分為兩個(gè)主要步驟進(jìn)行：1)對(duì)建筑施工過(guò)程使用到的各項(xiàng)資源進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，既使用少的材料，又達(dá)到最好的效果，讓房屋建筑的整體結(jié)構(gòu)性能達(dá)到最優(yōu)的配比；2)可以對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中使用的構(gòu)件強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化，即對(duì)每個(gè)部件當(dāng)中鋼的使用多少與截面的大小進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，從而達(dá)到質(zhì)量最優(yōu)、成本最低的目的。

2.4 節(jié)能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化

在國(guó)家綠色發(fā)展、循環(huán)發(fā)展、低碳發(fā)展的號(hào)召下，做好結(jié)構(gòu)的節(jié)能設(shè)計(jì)是十分必要與重要的。在房屋建筑的使用中，能量開(kāi)支比較大的活動(dòng)項(xiàng)目包括取暖、照明等。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要注意設(shè)計(jì)建筑的主要朝向向南，以得到最大的采光時(shí)間，降低照明對(duì)電能的消耗；要擴(kuò)大南面的窗口面積，以得到最多的太陽(yáng)輻射能；在建筑的北面做好保溫設(shè)計(jì)，進(jìn)而將熱量留在房屋建筑內(nèi)部，從而提高房屋的保溫效果。另外，屋頂?shù)脑O(shè)計(jì)可以采用架空的方式來(lái)增加房屋的保溫；或者鋪設(shè)循環(huán)水管，這不僅可達(dá)到冬暖夏涼的效果，同時(shí)還可以增加熱水的供應(yīng)量。

3 評(píng)價(jià)與展望

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)為我國(guó)建筑行業(yè)的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)，并在社會(huì)上創(chuàng)造了很大的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展、循環(huán)發(fā)展、低碳發(fā)展具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。當(dāng)前，我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)也在不斷創(chuàng)新進(jìn)步中，新技術(shù)新工藝不斷涌現(xiàn)出來(lái)，并被行業(yè)內(nèi)設(shè)計(jì)及施工公司所實(shí)踐和認(rèn)可。建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)逐漸延伸到建筑設(shè)計(jì)的更多方面，以發(fā)揮更多的功能，促進(jìn)建筑的使用性能不斷提升。另一方面，由于建筑建造工程也是造成大氣污染、資源緊張的一大因素，因此國(guó)家和社會(huì)應(yīng)不斷加大對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)研發(fā)人力和資金的投入，使我國(guó)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)得到更快的發(fā)展，確保我國(guó)的建筑工程更加能夠滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需要，并降低社會(huì)住房方面壓力，改善民生。

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Inquiry on optimal design techniques of building structure

Du Xiang’an

(TaiyuanAcademyofCityPlanning&Design,Taiyuan030012,China)

With a discussion on the optimal design meaning of building structure, starting from aspects of structural optimal design model, integral housing building structure selection, information technology and energy-saving design, the paper describes common optimal design techniques of building structure, and makes an evaluation and prospect of structural design optimizing technique.

building structure, optimal design, economy

1009-6825(2016)05-0063-02

2015-12-09

杜相安(1971- )，男，工程師

TU318

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