房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化

施穎 王文彬

摘要：建筑作為固體藝術(shù)，是美觀與結(jié)構(gòu)以及設(shè)計(jì)共同作用的結(jié)果。對(duì)于居住性房屋的結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)上要求適用經(jīng)濟(jì)、美觀安全，在施工中，便于作業(yè)等，盡可能地提高空間的利用度，把有限的資源最大化地發(fā)掘出來，完成經(jīng)濟(jì)適用的目標(biāo)。而設(shè)計(jì)上優(yōu)化方法的應(yīng)用，不但可以讓造型的美感突出，又能在結(jié)構(gòu)上注重安全，使得竣工后的建筑經(jīng)濟(jì)、合理，真正做到經(jīng)濟(jì)適用。

關(guān)鍵詞：房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);優(yōu)化

1.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的重要性

在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)建筑物的美學(xué)價(jià)值、實(shí)際使用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值等各種價(jià)值，還能夠節(jié)約建筑成本、保護(hù)建筑物施工現(xiàn)場(chǎng)附近的生態(tài)環(huán)境。因此，恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)房屋建筑的綜合效益。建筑商追求的目標(biāo)是：在保證房屋長(zhǎng)期使用性能的基礎(chǔ)之上，最大限度地節(jié)省建筑物的設(shè)計(jì)和施工成本，節(jié)約原材料，并縮減建筑投資。只有保證房屋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、耐用、美觀，才能滿足用戶不同層次的需求，也才能給建設(shè)單位帶來最大的經(jīng)營(yíng)利潤(rùn)。

與舊式的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式相比，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案可以使房屋建造的成本降低30%左右。采用優(yōu)化的設(shè)計(jì)技巧，可以合理配置各種資源，充分利用建筑原料，并協(xié)調(diào)好房屋內(nèi)部各個(gè)獨(dú)立的單元，使這些獨(dú)立的部分互相配合，共同發(fā)揮作用;采用優(yōu)化的設(shè)計(jì)技巧，可以在創(chuàng)新設(shè)計(jì)方式的同時(shí)，確保建筑物的安全性能達(dá)到既定標(biāo)準(zhǔn)，保護(hù)居民的生命健康和財(cái)產(chǎn)安全;采用優(yōu)化的設(shè)計(jì)技巧，還可以幫助建筑物結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)者認(rèn)真規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)方案，選擇最科學(xué)、最合理的設(shè)計(jì)方式，實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)。

2.房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化措施分析

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的實(shí)用性與藝術(shù)性結(jié)合

建筑物其實(shí)就是建筑師的藝術(shù)品，建筑師在設(shè)計(jì)建筑物的時(shí)候，始終期望將自己的意圖表達(dá)得淋漓盡致，追求藝術(shù)性與實(shí)用性的最佳融合。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員首先要保證所涉及房屋建筑的安全性，然后對(duì)于建筑的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行改善，不斷完美，以全面體現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)師的美學(xué)意圖。在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中，滿足設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)意圖是基本標(biāo)準(zhǔn)，平面布局須要精確對(duì)稱，有規(guī)則性，最大限度縮減質(zhì)量與剛度兩者之間的差異，以避免建筑物因荷載作用發(fā)生扭轉(zhuǎn)問題。豎向布局應(yīng)以滿足房屋的功能為基礎(chǔ)，確保豎向承重構(gòu)件上下貫通，使用轉(zhuǎn)換層來降低設(shè)計(jì)或結(jié)構(gòu)分析的難度與成本。除此之外，豎向布局剛度須要實(shí)行漸變，以避免應(yīng)力的過度集中現(xiàn)象，增強(qiáng)房屋結(jié)構(gòu)抵抗水平動(dòng)力的荷載。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)信息優(yōu)化技術(shù)

由于房屋建筑結(jié)構(gòu)受到設(shè)計(jì)變量等條件的約束，很難用單一的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。因此應(yīng)開發(fā)一種更為實(shí)用方便的參數(shù)定義優(yōu)化軟件，減少設(shè)計(jì)者在結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面的精力和時(shí)間。我較為推崇的是 TBCAD 系統(tǒng)，這種系統(tǒng)是針對(duì)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)、建模、分析、評(píng)估等為一體的成本控制軟件系統(tǒng)，該可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案的指導(dǎo)設(shè)計(jì)，使得方案的人力、物力和財(cái)力資源等趨于最優(yōu)狀態(tài)。系統(tǒng)的信息分為兩個(gè)時(shí)間段進(jìn)行優(yōu)化，第一個(gè)時(shí)間段是通過對(duì)材料的分配調(diào)整，使用最少的混凝土用量滿足側(cè)向剛度的要求，系統(tǒng)在這個(gè)時(shí)間段的目標(biāo)函數(shù)是混凝土的使用量，而結(jié)構(gòu)構(gòu)件的斷面大小則是設(shè)計(jì)的變量。第二個(gè)時(shí)間段是對(duì)構(gòu)件強(qiáng)度的優(yōu)化，通過對(duì)構(gòu)件結(jié)構(gòu)的斷面大小以及鋼用量的調(diào)整，使得構(gòu)件的強(qiáng)度要求實(shí)現(xiàn)只需較少的結(jié)構(gòu)造價(jià)。

2.3 選擇節(jié)能指標(biāo)較高的結(jié)構(gòu)類型

房屋結(jié)構(gòu)形式的選擇，意味著選擇不同工程造價(jià)的建設(shè)模式，常見的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式有如下三種：（1）短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)形式常見于高層建筑，以混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程為依托，這種結(jié)構(gòu)形式相對(duì)于剪力墻的抗震級(jí)別要高，比起剪力墻，構(gòu)造鋼筋使用數(shù)量不多。（2）框架結(jié)構(gòu)，具有大開間、布局靈活性強(qiáng)和造價(jià)成本低的優(yōu)點(diǎn)，但這種結(jié)構(gòu)抗震能力弱，柱截面較大，形成的柱角凸出部位會(huì)妨礙家具的布置。（3）框架一剪力墻結(jié)構(gòu)，即在框架結(jié)構(gòu)中合理進(jìn)行一定數(shù)量剪力墻的布置，這種結(jié)構(gòu)合理，適用能力強(qiáng)，而且能夠應(yīng)對(duì)各種不同的變形壓力，是一種抗側(cè)力較好的結(jié)構(gòu)。以上的三種結(jié)構(gòu)模式各具優(yōu)缺點(diǎn)，但我們?cè)谶x擇結(jié)構(gòu)模式的時(shí)候，不能片面認(rèn)為造價(jià)最低的方案就是最科學(xué)合理的方案，而是我們要結(jié)合房屋業(yè)主的功能需求，以及建設(shè)單位的投資水平和施工能力等方面的因素進(jìn)行結(jié)構(gòu)類型的綜合分析，將投資與收益進(jìn)行平衡優(yōu)化，根據(jù)工程條件的客觀實(shí)際情況選擇最為合適的結(jié)構(gòu)模式。

2.4 各種功能結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)容

結(jié)構(gòu)抗震的經(jīng)濟(jì)化設(shè)計(jì)，主要針對(duì)高層的房屋建筑，高層建筑的水平荷載結(jié)構(gòu)造價(jià)占所有結(jié)構(gòu)的絕大部分造價(jià)，在抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，抗側(cè)力結(jié)構(gòu)是造價(jià)控制的重點(diǎn)內(nèi)容。尤其是在建筑物層高增加之后，抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的造價(jià)也會(huì)隨之增加。因此，抗側(cè)力的結(jié)構(gòu)必須進(jìn)行合理選用，以便形成造價(jià)優(yōu)勢(shì)。上文已經(jīng)對(duì)常見結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了一定闡述，雖然每種結(jié)構(gòu)形式都具備一定的抗震性能，但所達(dá)成的經(jīng)濟(jì)效果確是各不相同的，因此設(shè)計(jì)人員對(duì)房屋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要充分了解各種結(jié)構(gòu)模式的抗震性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，把握好房屋的體型、結(jié)構(gòu)的體系以及剛度的分布等，針對(duì)抗震的薄弱環(huán)節(jié)通過抗震構(gòu)造措施進(jìn)行改善，將抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的成本降到最低。

3.房屋設(shè)計(jì)中需要注意的事項(xiàng)

3.1 構(gòu)造柱與承重柱混淆

在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，構(gòu)造柱和承重柱必須要區(qū)分明確，可是一部分房屋建筑由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致構(gòu)造柱當(dāng)作承重柱使用，嚴(yán)重降低了房屋的安全性和耐用性，下面兩個(gè)例子就是構(gòu)造柱當(dāng)作承重柱使用可能導(dǎo)致的后果。

構(gòu)造柱當(dāng)作承重柱使用之后，會(huì)導(dǎo)致構(gòu)造柱提前受力，使其對(duì)砌體的約束作用受到影響，在這種情況下，一旦房屋受到地震作用，應(yīng)力就會(huì)集中于構(gòu)造柱，導(dǎo)致構(gòu)造柱迅速損壞。由此可見，如果將構(gòu)造柱當(dāng)作承重柱使用，構(gòu)造柱就會(huì)失去應(yīng)有的拉結(jié)作用，同時(shí)構(gòu)造柱也成為了房屋結(jié)構(gòu)中的脆弱環(huán)節(jié)，為房屋使用者帶來安全隱患。構(gòu)造柱的根基通常都位于地圈梁當(dāng)中，因此構(gòu)造柱的根基無(wú)法滿足承重柱的抗彎、抗壓強(qiáng)度，如果構(gòu)造柱被當(dāng)作承重柱使用，很容易導(dǎo)致構(gòu)造柱下沉，使房體產(chǎn)生裂縫。

3.2 懸挑量的梁高

懸挑梁是房屋結(jié)構(gòu)中比較重要的一個(gè)組成部分，他對(duì)于地震的發(fā)生十分敏感，如果是在豎向地震的作用下將會(huì)很容易失去承載力。在平時(shí)的房屋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中很多工作人員對(duì)于懸挑梁的檢查度不夠全面。在檢查時(shí)不能只是檢查懸挑量的質(zhì)量問題、堅(jiān)硬程度，更多的是對(duì)于它的高度檢查。如果懸挑梁梁高過小則會(huì)嚴(yán)重影響房屋的安全問題。例如懸挑梁的梁高過小會(huì)造成截面的壓力過大即使沒有地震，時(shí)間久了也容易產(chǎn)生縫隙，使兩邊變形或者會(huì)使梁支座周圍產(chǎn)生裂縫，并且會(huì)逐步向外擴(kuò)散從而造成房屋的不安全性。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，一個(gè)建筑要達(dá)到精美的效果，設(shè)計(jì)師需要把其美觀設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊密結(jié)合起來。在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要采取適用、經(jīng)濟(jì)、安全、便于施工和美觀這五種效果措施。房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)用建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可以滿足這一要求，保證建筑美觀、造型優(yōu)美，同時(shí)又能夠便于房屋的施工，使房屋安全、經(jīng)濟(jì)、適用。在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)的實(shí)踐過程中，應(yīng)加強(qiáng)實(shí)踐探索，降低經(jīng)濟(jì)成本，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益的最大化，從而在保證經(jīng)節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本和達(dá)到美觀要求的情況下合理進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化是一個(gè)十分復(fù)雜且具有比較強(qiáng)的綜合性的系統(tǒng)性問題，因此我們一定要加大對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的深入探究的力度。

參考文獻(xiàn)

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