房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用分析

袁江

（陜西省建筑設(shè)計研究院有限責(zé)任公司 710018）

結(jié)構(gòu)設(shè)計是房屋建筑設(shè)計中的重要組成成分，直接影響著房屋建筑質(zhì)量與房屋結(jié)構(gòu)的安全性及穩(wěn)定性。隨著建筑行業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展，人們對于建筑工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求也具有了全新的標(biāo)準(zhǔn)，為了滿足人們對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的更高要求，相應(yīng)的設(shè)計人員需要不斷的優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，找出其中的不足并加以改進。優(yōu)化技術(shù)在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的運用，有效的彌補了以往建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的諸多問題，提高了結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量，有助于建筑行業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展。因此相關(guān)的設(shè)計人員需要科學(xué)合理的運用優(yōu)化技術(shù)，發(fā)揮優(yōu)化技術(shù)在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中運用的預(yù)期價值。

1 房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)及存在的問題

1.1 房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)

1.1.1 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

通常所說的結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法是根據(jù)不同設(shè)計的要求需要，給出初步設(shè)計方案，然后利用力學(xué)知識進行分析，使其剛度、穩(wěn)定性、承載力、尺寸等滿足規(guī)范等強制進行或者構(gòu)造要求。所有的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案都可以用一些設(shè)計變量和一些給定的參數(shù)來表現(xiàn)，這些都隨著設(shè)計方案的變動而變動。傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計就是設(shè)計人員憑借自己的設(shè)計經(jīng)驗或者參考已經(jīng)完工的類似的設(shè)計第案列確定基本的設(shè)計方案，進而進行剛度、穩(wěn)定性、承載力等方面的計算、演算或者校核，一般只要可行符合規(guī)范便采納之。其實這個只是可行設(shè)計，也就是傳統(tǒng)的設(shè)計。可行的東西是建立在安全的基礎(chǔ)上的，但是不是“最優(yōu)的”，最優(yōu)的方案是在若干個傳統(tǒng)的設(shè)計中進行量的優(yōu)劣取舍，從中選擇或者合并一個最好的方案最為優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果?？梢哉f傳統(tǒng)設(shè)計是為優(yōu)化設(shè)計做準(zhǔn)備的，傳統(tǒng)設(shè)計是基礎(chǔ)，沒有前者就談不上后者的進行。

1.1.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，工程結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計即在滿足各種設(shè)計規(guī)范或者一些特殊需要，通過各種方案的反復(fù)推敲對比使結(jié)構(gòu)設(shè)計最終達(dá)到最佳的設(shè)計方法。通常情況工程結(jié)構(gòu)設(shè)計對提高工程結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟效益和功能方面具有重大的實際意義。結(jié)構(gòu)設(shè)計中可以通過方案優(yōu)化或者精細(xì)化優(yōu)化刪除不安全的無效的成本，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)安全系數(shù)不會降低，有時候反而更加合理，或者使整體結(jié)構(gòu)更加結(jié)實。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計要求用優(yōu)化方法去搜索所有的設(shè)計方案，從里面得出最好最優(yōu)的方案后進行后續(xù)施工圖設(shè)計。同時結(jié)構(gòu)設(shè)計是一種技術(shù)行為，對專業(yè)知識要求很強，找出既經(jīng)濟又合理的方案。這些可選的方案都要求滿足規(guī)范規(guī)定的最低限，這樣就能做到避免浪費，既減小了財力、人力，控制成本，這是當(dāng)今社會的發(fā)展所趨，也是建設(shè)現(xiàn)代化節(jié)約型社會、科學(xué)發(fā)展觀所要求做到的。

1.2 存在的問題

1.2.1 基礎(chǔ)設(shè)計問題

房屋基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)系著整體建筑的穩(wěn)定性以及使用壽命，部分設(shè)計人員在房屋基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計中缺乏重視度，沒有對施工現(xiàn)場的地質(zhì)環(huán)境進行實地勘察，僅僅憑借相關(guān)部門提供的數(shù)據(jù)資料以及自身設(shè)計經(jīng)驗進行房屋基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計，導(dǎo)致設(shè)計方案與實際施工建設(shè)情況不符，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)實際存在盲目性，從而降低了基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量。

1.2.2 框架設(shè)計問題

框架設(shè)計分為橫向結(jié)構(gòu)設(shè)計與縱向結(jié)構(gòu)設(shè)計，但是設(shè)計人員在框架結(jié)構(gòu)設(shè)計中往往重視橫向框架結(jié)構(gòu)設(shè)計，而忽視了縱向框架結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要性，導(dǎo)致框架結(jié)構(gòu)承載力不足?？蚣芙Y(jié)構(gòu)中的橫向與縱向是框架水平與垂直承載力的主要來源，若是一方設(shè)計出現(xiàn)缺陷，就會導(dǎo)致整體框架結(jié)構(gòu)承載力不足，在遇到如地震等突發(fā)自然災(zāi)害情況時，將會無法承受巨大的壓力，造成框架整體穩(wěn)定性失衡，從而危害人們的生命財產(chǎn)安全。

2 房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要應(yīng)用

2.1 房屋建設(shè)過程中的主要分類

房屋按照其結(jié)構(gòu)形式不同可分為：砌體結(jié)構(gòu)房屋、框架結(jié)構(gòu)房屋、剪力墻結(jié)構(gòu)房屋等等，種類很多?？紤]到造價、抗震性能以及使用要求等，針對不同的需要則采用適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式。一個工程，選擇合理的結(jié)構(gòu)體系很重要，不光其使用安全得以保障，在其造價上也能夠得到一定比例的成本節(jié)約。房屋建筑按照層數(shù)一般可以分為三類：低層、多層、高層。3層以下為低層，4～7層為多層，8層以上為高層。這只是一般籠統(tǒng)的劃分，我們知道，房屋的使用功能不同，綜上所述，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計勢在必行，在發(fā)展國民經(jīng)濟的今天又重大意義。

2.2 不同建筑形式對結(jié)構(gòu)優(yōu)化需求不同

2.2.1 縱墻和橫墻的布置設(shè)計要求

砌體結(jié)構(gòu)中主要受力構(gòu)件就是砌體墻，結(jié)構(gòu)體系布置得合理性直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的抗震要求。砌體結(jié)構(gòu)有縱墻承重體系、橫墻承重體系和縱橫墻共同承重體系?？拐鹨?guī)范中明確要求優(yōu)先采用橫墻承重體系或者縱橫墻共同承重體系。不應(yīng)釆用砌體墻和混凝土混合和承重的結(jié)構(gòu)體系?？v橫墻的布置宜均勻，沿平面宜對齊，沿豎向應(yīng)上下連續(xù)；同時縱橫墻的數(shù)量不宜相差過大。

2.2.2 配筋砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計要求

多層砌體房屋中，有時候會出現(xiàn)墻體受壓不滿足的情況，這時在墻體里面配上鋼筋網(wǎng)片或者鋼筋來增強抗壓抗震。同時，墻中柱和局部配筋帶也提高了抗剪承載力，不僅對整個墻體有一定的約束作用，也對抗震有很大的作用，提高了砌體的豎向和水平承載力。材料的合理先用：提倡輕質(zhì)高強墻體材料的使用；合理的提高砌筑砂裝的等級有效地提高了墻體抗震能力，這個措施即經(jīng)濟又有效；當(dāng)使用現(xiàn)饒板并合理設(shè)計板厚、配筋：通過抗震計算來滿足抗震設(shè)計是抗震設(shè)防區(qū)工程設(shè)計必不可少的一步。

2.2.3 框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求

工程設(shè)計依據(jù)抗震等級、人防等級，地基的狀況和地基的承載力，活荷載值，材料等級，施工中需要注意的事項，選用詳圖等。各層的梁板柱結(jié)構(gòu)配筋圖一般是先使用結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件進行設(shè)計校核，在基礎(chǔ)上在人為適當(dāng)修改。比如對于樓梯設(shè)計多采用板式樓梯，從施工的角度來看較方便，從設(shè)計的角度看也比較美觀?；A(chǔ)方面：獨立基礎(chǔ)它的偏心要求不能太大，必要時可做成柱下條基。也可采用臺階形或者梯形的基礎(chǔ)底板，或著把挑梁兩端的挑出的長度進行調(diào)整。

2.2.4 多層框架結(jié)構(gòu)房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計要求

對于一些特殊要求的多層房屋，特別是一些大開間、大跨度的建筑一般都采用框架，如：報告廳、圖書館、商場、一些學(xué)校的大教室等等?？蚣芙Y(jié)構(gòu)是多層和高層房屋的主要結(jié)構(gòu)形式之一。其中最常用的是混凝土框架結(jié)構(gòu)包括現(xiàn)澆整體式、裝配式、裝配整體式和鋼框架。裝配式、裝配整體式混凝土框架和鋼框架適合大規(guī)模工業(yè)化施工，效率較高，工程質(zhì)量較好。

3 房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用的注意要點

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化的整體要求

3.1.1 要改變設(shè)計人員的觀念

很多人怕結(jié)構(gòu)設(shè)計出安全隱患，一般都進行了保守又保守的設(shè)計，這樣無形中增大了成本，是沒有必要的。一般軟件已經(jīng)有一定的安全儲備，人為的再放大設(shè)計系數(shù)就不必要。

3.1.2 注意前期技術(shù)優(yōu)化的應(yīng)用

優(yōu)化技術(shù)在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的運用，需要做好前期的技術(shù)應(yīng)用準(zhǔn)備工作。結(jié)構(gòu)設(shè)計方案是后期施工建設(shè)的主要依據(jù)，相關(guān)設(shè)計人員需要在前期結(jié)構(gòu)設(shè)計方案中對其中可能涉及到的因素進行全方面考量，減少后期一些不合理費用的支出也能使整個工程的開展按計劃進行。

3.2 機構(gòu)優(yōu)化的具體措施

3.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計模型的優(yōu)化

結(jié)構(gòu)設(shè)計模型優(yōu)化的具體步驟如下：合理的選擇設(shè)計變量；確定目標(biāo)函數(shù)；確定約束條件。

3.2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方案

在進行建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計時，可以用無約束條件來替代有約束條件進行計算，具體的方法有拉氏乘子法、符合型法等方法。比如在設(shè)定完結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要編制相應(yīng)的運算程序即可獲得結(jié)構(gòu)設(shè)計的最優(yōu)方案。采用裝配式的梁、柱時，可以縮短工期；采用現(xiàn)繞鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時使結(jié)構(gòu)的整體性、抗震性增強，而且在施工時可以澆筑成各種形狀的柱子。

3.2.3 有區(qū)分的優(yōu)化設(shè)計

針對不同房屋結(jié)構(gòu)制定有針對性的優(yōu)化設(shè)計，如加強對砌體房屋構(gòu)造措施的優(yōu)化（尤其是構(gòu)造柱和圈梁）以及基礎(chǔ)承載力和埋深的修正能夠有效的控制含鋼量，從而達(dá)到降低工程造價的目的。對多層框架結(jié)構(gòu)房屋的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是設(shè)計人員不可忽視的問題?？蚣芙Y(jié)構(gòu)對其梁、板、柱以及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的有效控制并結(jié)合規(guī)范的規(guī)定設(shè)計，能夠使含鋼量降低左右。而且優(yōu)化后的建筑物更有利于抗震的要求，既做到了省材又做到了安全。

3.2.4 注重設(shè)計與經(jīng)濟的兼顧

在房屋建筑工程面積相同的前提下，平面形狀、圓形或者圓形的周長也會相對較長，前提投入墻體消耗的面積也會相對較少，成本投入也會相對較低。同時，不斷的比對可以發(fā)現(xiàn)，不管是平面形狀、方形或者圓形的內(nèi)部構(gòu)件相對較為穩(wěn)定，并且具有相對良好的受力性，這在很大程度上降低了輔助材料和設(shè)備的使用，節(jié)省了工程的施工成本。