結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

柴平太

摘 要：在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化是十分重要的環(huán)節(jié)，做好建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化工作可以提升建筑的經(jīng)濟(jì)性能，降低建筑成本。 因此，在進(jìn)行房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，要將先進(jìn)的設(shè)計方案和施工技術(shù)進(jìn)行融合，提升設(shè)計人員的素養(yǎng)，增加進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)驗(yàn)，對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的新技術(shù)以及新材料進(jìn)行把握，提升建筑結(jié)構(gòu)的安全性以及耐久性。本文主要就建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，希望可以為后續(xù)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化工作提供借鑒。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計；優(yōu)化方法；房屋建筑

1 房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化意義

房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計的最終目標(biāo)應(yīng)該是設(shè)計出造型美觀、功能齊全，同時經(jīng)濟(jì)成本又較低的房屋建筑，同時還要考慮到對于周圍環(huán)境的保護(hù)。實(shí)際上，這給房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計者的工作提出了非常高的要求，因此，房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計者在進(jìn)行設(shè)計的過程中，要不斷進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，利用自己本身所具備的專業(yè)知識，不斷進(jìn)行調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)房屋建筑的整體效益。對于建筑商來說，在房屋安全使用性能得到保障的同時，還要盡最大可能地減少成本支出才是終極目標(biāo)。而對于用戶來說，房屋的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能夠長期使用同時外形也要美觀是最終目標(biāo)。

2 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法應(yīng)用理念及主要步驟

2.1 應(yīng)用理念

房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法的應(yīng)用要遵循相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計理念，首先要全面的對房屋結(jié)構(gòu)體系合理性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，其次要合理規(guī)劃房屋結(jié)構(gòu)局部的優(yōu)化設(shè)計。建筑的房屋結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，應(yīng)先從整體上把握房屋結(jié)構(gòu)整體特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上對房屋結(jié)構(gòu)中的零部件選取、建筑原料選取等進(jìn)行初步設(shè)計。此外，房屋結(jié)構(gòu)中又包括層次較多的小模塊，每一模塊都需要進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化，設(shè)計人員要做好各個模塊的局部優(yōu)化設(shè)計，確保實(shí)現(xiàn)房屋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)；房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計的任一階段都可進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，要充分結(jié)合各個階段的性質(zhì)確定結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，以提高房屋建筑質(zhì)量，提高建筑的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 主要步驟

2.2.1 制定結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型

制定科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型是應(yīng)用建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法的重要途徑，模型的搭建要結(jié)合房屋結(jié)構(gòu)工程實(shí)際情況，并根據(jù)工程要求進(jìn)行模型優(yōu)化，在房屋結(jié)構(gòu)模型中體現(xiàn)房屋結(jié)構(gòu)性能。將影響因素以預(yù)定式參數(shù)的形式表示出來，為具體的模型設(shè)計人員提供參考。預(yù)定式參數(shù)的應(yīng)用能夠使房屋結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型搭建過程中的設(shè)計數(shù)量和計算數(shù)量減少，從而提高模型質(zhì)量。

2.2.2 明確結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的基本目標(biāo)

房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化行為需要在理清所有建筑環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上執(zhí)行。要在結(jié)構(gòu)優(yōu)化前期準(zhǔn)備好滿足施工設(shè)計要求的鋼筋截面面積，明確房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的基本目標(biāo)，為控制房屋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計成本提供便利條件。

2.2.3 制定科學(xué)的約束條件

房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計的操作人員要嚴(yán)格遵循建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，重視房屋結(jié)構(gòu)質(zhì)量，確保建筑整體質(zhì)量。在進(jìn)行房屋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計時，不能隨意更改原先的設(shè)計方案，要在基本約束條件的制約下執(zhí)行優(yōu)化設(shè)計措施。

2.2.4 科學(xué)對比設(shè)計方案

建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案的制定需要多重篩選，要將各種房屋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案中涉及到的參數(shù)計算出來，得出基本的計算結(jié)果并進(jìn)行綜合比較，按照企業(yè)、業(yè)主等各方面的要求，選擇經(jīng)濟(jì)效益和社會效益兼具的房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方案。房屋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方案中要體現(xiàn)對可能出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)問題的優(yōu)化，并建立專項(xiàng)設(shè)計項(xiàng)目，深入研究和分析房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的不合理之處，確保按照整體結(jié)構(gòu)實(shí)用和安全的要求進(jìn)行房屋結(jié)構(gòu)的整體優(yōu)化設(shè)計。

3 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

3.1 形狀優(yōu)化

形狀優(yōu)化是指在指定的房屋結(jié)構(gòu)下，根據(jù)要求調(diào)整結(jié)構(gòu)外部設(shè)計，或者調(diào)整房屋內(nèi)部結(jié)構(gòu)部件的幾何形狀，以優(yōu)化房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計的實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性。由于形狀設(shè)計優(yōu)化方法需要不斷改變分析、計算模型，模型的改變勢必需要重新生成有限元網(wǎng)格，網(wǎng)格的增加使原有結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)系網(wǎng)更加復(fù)雜。使用形狀優(yōu)化方法，在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中單元結(jié)構(gòu)、房屋性能和設(shè)計變量之間不再是線性關(guān)系，它的敏度分析和有限元計算比尺寸優(yōu)化復(fù)雜且量多，因此形狀優(yōu)化設(shè)計方法難度比尺寸優(yōu)化大的多。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)與建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的結(jié)合

建筑物的設(shè)計通常從結(jié)構(gòu)的布置開始展開，只有定了結(jié)構(gòu)布置之后，才能結(jié)合相應(yīng)的負(fù)荷要求來確定具體的參數(shù)、材料的要求，這些數(shù)據(jù)分析不僅要借助于計算機(jī)，還應(yīng)當(dāng)結(jié)合人工的測量和計算，經(jīng)過大量的測量和數(shù)據(jù)分析，才能做出最科學(xué)的判斷。這就要求相關(guān)的技術(shù)工作人員，要樹立積極工作、認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作態(tài)度，不斷提高自我的專業(yè)水平，在一定的技術(shù)的支持下，盡可能對每一個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)都做到詳細(xì)的記錄和分析，不忽視每一個環(huán)節(jié)，精準(zhǔn)的記錄。

3.3 房屋建筑上層結(jié)構(gòu)的分析

對房屋建筑的結(jié)構(gòu)建設(shè)優(yōu)化分析，房屋上層建筑設(shè)計的結(jié)構(gòu)優(yōu)化處理是主要部分。房屋建筑設(shè)計的上層墻體建設(shè)中，剪力墻的作用對平衡房屋建筑的受力作用的分析上具有影響作用。如果在實(shí)際房屋建設(shè)中，房屋建筑設(shè)計的整體優(yōu)化情況改善通過增減剪力墻的長度進(jìn)行調(diào)節(jié)，促進(jìn)我國房屋建筑整體結(jié)構(gòu)的受力平衡性提高，使房屋建筑的受力面積提高，房屋建筑的剪力墻在實(shí)際中發(fā)揮的作用性越大，房屋建筑各個受力點(diǎn)之間的平衡關(guān)系性越均衡，房屋建筑的整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化作用性越大。

3.4 房屋結(jié)構(gòu)外套框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計基本思路

房屋結(jié)構(gòu)平面框架的優(yōu)化設(shè)計是一個多次及高次超靜定問題，框架荷載使用條件是不變的設(shè)計因素，因此優(yōu)化設(shè)計上也就剩下梁柱桿件截面尺寸為變量，因此可以通過調(diào)整相應(yīng)的截面尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。房屋基本框架中，任何一個梁柱截面積的尺寸發(fā)生改變，都會影響整個結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布，然而這種影響僅僅只針對桿件附近內(nèi)力影響較大的情況。在每次優(yōu)化設(shè)計過程中，對于單個構(gòu)建截面尺寸發(fā)生改變的情況，往往需要重新計算結(jié)構(gòu)內(nèi)力，這樣必然會浪費(fèi)大量時間。為此，在實(shí)際的操作中，就可以近似假定桿件截面尺寸的改變不會影響到框架內(nèi)力的重新分布，但是需要注意的是這個假定只能夠在一次優(yōu)化中使用，全部桿件優(yōu)化有獲得新的方案就需要放棄假定，對內(nèi)力進(jìn)行重新分析，這樣才能夠逐漸獲得最優(yōu)的方案，之后將最優(yōu)方案借助常規(guī)框架計算進(jìn)行一次分析即可。

3.5 優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)計

在結(jié)構(gòu)造價中，占據(jù)比重最大的是基礎(chǔ)造價，其決定了整個工程造價。在設(shè)計建筑基礎(chǔ)時，要恰當(dāng)選擇建筑基礎(chǔ)類型。通常情況下，底層建筑較多應(yīng)用淺埋天然基礎(chǔ)，而高層建筑較多應(yīng)用沉降控制符合基礎(chǔ)。對于深埋獨(dú)立地下室，可考慮采用補(bǔ)償式基礎(chǔ)。在進(jìn)行地下室設(shè)置時，要充分比較并驗(yàn)證地下室的樁型、埋深、底板結(jié)構(gòu)形式、頂板結(jié)構(gòu)形式、抗浮水位、基坑圍護(hù)以及側(cè)墻設(shè)計等問題，同時要盡可能的降低工程造價。

4 結(jié)語

目前，我國城市建設(shè)在不斷地發(fā)展，建筑工程也得到了飛速的發(fā)展，在提升建筑質(zhì)量的同時，人們對建筑工程的功能性、安全性以及耐久性等要求也不斷的增加，更加注重居住環(huán)境的舒適性能。因此，要做好建筑工程結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計工作，對建筑工程的經(jīng)濟(jì)型以及美觀性進(jìn)行充分的考慮，運(yùn)用建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化技術(shù)，確保建筑結(jié)構(gòu)的參數(shù)準(zhǔn)確性，做好地基基礎(chǔ)設(shè)計，對鋼筋材料的質(zhì)量進(jìn)行控制，注重抗震設(shè)計和概念設(shè)計，提升建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，同時也為后期的施工提供了相對便利的條件。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李君永.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中 BIM 技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐分析與研究[J].中國住宅設(shè)施，2017.

[2] 李貴江.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化設(shè)計新方法探析[J].江西建材，2017.