探討房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性及優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用

高峰

（北京中外建建筑設(shè)計(jì)有限公司深圳分公司，廣東深圳518000）

1 優(yōu)化設(shè)計(jì)的原因

房屋建筑主體中，50%的成本通?；ㄙM(fèi)在混凝土、鋼筋、砌體等建筑材料中，并且該部分費(fèi)用也是組成工程造價(jià)的主要內(nèi)容。實(shí)踐表明[1]，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化大約可有效降低總成本的10%～35%，對(duì)于大型建設(shè)工程，該部分費(fèi)用風(fēng)險(xiǎn)較低，且資金數(shù)額通常較大，因此，開(kāi)展結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅可以提高企業(yè)的資金周轉(zhuǎn)率和利潤(rùn)，而且可以降低建設(shè)方的投資成本，具有巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，影響工程質(zhì)量的主要因素為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題，約占總事故原因的40%。目前，各設(shè)計(jì)單位技術(shù)水平存在一定的差異，因設(shè)計(jì)質(zhì)量造成工程項(xiàng)目返工、停工等現(xiàn)象十分常見(jiàn)。通過(guò)科學(xué)、合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可有利于業(yè)主提升設(shè)計(jì)質(zhì)量，并且在降低工程風(fēng)險(xiǎn)，避免質(zhì)量缺陷等方面發(fā)揮著重要的作用，可以在降低非必要投資的條件下提高工程項(xiàng)目品質(zhì)，符合創(chuàng)建節(jié)約型社會(huì)主題。

結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)通常并非業(yè)主要求的核心內(nèi)容，因此，設(shè)計(jì)單位往往存在成本控制意識(shí)薄弱、控制積極性不高等問(wèn)題，并且設(shè)計(jì)師在技術(shù)水平不足、任務(wù)重、時(shí)間緊的條件下，并不能很好地幫助業(yè)主控制成本。在此背景下，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)非常重要，其不僅是保證建筑安全、耐久性以及功能性的基本條件，而且在最大化追求經(jīng)濟(jì)型、節(jié)約建筑占地面積方面發(fā)揮著不可替代的作用，已成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域研究的主要目標(biāo)。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)的原則

2.1 安全性

城市的發(fā)展和科技的進(jìn)步推動(dòng)了房屋建筑技術(shù)的不斷提升，并對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更多的要求。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅可以降低工程投入，節(jié)約建設(shè)成本，更重要的是可以保證結(jié)構(gòu)的安全性能。如果僅以節(jié)約資金投入作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化的判別依據(jù)，而不考慮結(jié)構(gòu)的安全性，那么結(jié)構(gòu)的優(yōu)化將無(wú)任何價(jià)值和作用，并且不能保證結(jié)構(gòu)安全的優(yōu)化設(shè)計(jì)也是行不通的，因此，安全性是設(shè)計(jì)人員結(jié)構(gòu)優(yōu)化的根本原則和基礎(chǔ)條件。

2.2 功能性

房屋建筑的功能性可通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)體現(xiàn)，在優(yōu)化過(guò)程中，不能以除去建筑物內(nèi)部承壓梁的形式提升空間范圍，房屋建筑的功能和居住環(huán)境的舒適度是優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要原則，尤其是在目前的經(jīng)濟(jì)條件下，對(duì)房屋設(shè)計(jì)進(jìn)行選擇時(shí)，消費(fèi)者有更加具體的功能性要求，只有在滿足房屋功能性要求的條件下，建筑結(jié)構(gòu)才能發(fā)揮它的實(shí)際價(jià)值和作用。

2.3 經(jīng)濟(jì)性

對(duì)建筑材料的優(yōu)化使用是房屋設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性原則的主要方法，建筑施工是一個(gè)涉及多個(gè)領(lǐng)域的綜合性大型工程，并且隨著經(jīng)濟(jì)水平的快速發(fā)展，各個(gè)方面，如鋼筋、混凝土、水泥、砌體等都需要投入大量的資金，進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)，各個(gè)分支的資金使用十分有限，這就要求在保證安全性的條件下，遵循經(jīng)濟(jì)性原則，通過(guò)節(jié)能材料的合理選擇嚴(yán)格控制建筑成本，合理安排施工流程，減少不必要的成本投入。但是，并不能為了滿足經(jīng)濟(jì)性原則而出現(xiàn)“豆腐渣”工程，保證居民的生命財(cái)產(chǎn)安全是經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工的基礎(chǔ)。

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

3.1 房屋建筑結(jié)構(gòu)的前期優(yōu)化技術(shù)

為更加科學(xué)、合理地開(kāi)展結(jié)構(gòu)優(yōu)化，設(shè)計(jì)人員在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前期，通常需要對(duì)多種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行商討，并且不同的方案通常會(huì)形成各自的建筑形式。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)充分考慮房屋的建設(shè)需求，從而確定合理的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)全面地分析準(zhǔn)備工作也是方案設(shè)計(jì)前必不可少的內(nèi)容，主要有施工設(shè)備的負(fù)荷值、設(shè)計(jì)參數(shù)以及建筑材料的確定等。在方案設(shè)計(jì)前，因存在較多的準(zhǔn)備項(xiàng)目，通常會(huì)形成大量的數(shù)據(jù)資料，為保證設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性和合理性，往往需要對(duì)這些數(shù)據(jù)資料進(jìn)行分析演算。然而，采用常規(guī)的人力計(jì)算因速度慢、精度低等缺陷而存在一定的局限性，難以獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。在實(shí)際的數(shù)據(jù)分析過(guò)程中，通常需要經(jīng)驗(yàn)豐富的工作人員綜合利用計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)資料的演算和分析。

3.2 加強(qiáng)數(shù)字技術(shù)應(yīng)用

隨著數(shù)字技術(shù)尤其是計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的計(jì)算分析和圖紙逐漸被數(shù)字化技術(shù)取代，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)影響分析和快速設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方案時(shí)，數(shù)字化技術(shù)表現(xiàn)出了良好的適用性與可靠性。例如，可利用GAMES軟件構(gòu)建模型，該軟件具有操作簡(jiǎn)單、處理快捷等優(yōu)點(diǎn)，并在混合整數(shù)、線性及非線性優(yōu)化方面有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。另外，可利用TBCAD等軟件進(jìn)行科學(xué)、有效的建模分析和方案的優(yōu)化，從而更加直觀、準(zhǔn)確地展現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)形式。數(shù)字化計(jì)算機(jī)軟件為處理結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的必備工具，在處理解決各種復(fù)雜情況時(shí)表現(xiàn)出了較強(qiáng)的使用功能。

3.3 重視概念設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)

對(duì)建筑材料利用一系列的設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)各個(gè)構(gòu)件的相互配合與充分利用，最終實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)即為房屋優(yōu)化設(shè)計(jì)的概念。建筑物通常存在多樣化的結(jié)構(gòu)布置形式，并且對(duì)同一建筑結(jié)構(gòu)也可存在多種結(jié)構(gòu)分析方法，對(duì)建筑材料和設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇可隨著分析方法的改變而存在一定的差異。在分析處理各種優(yōu)化問(wèn)題時(shí)，僅依靠數(shù)字化軟件仍然無(wú)法滿足優(yōu)化設(shè)計(jì)的要求，因此，設(shè)計(jì)人員的概念設(shè)計(jì)更加重要。不同的設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、方式、技術(shù)水平、綜合素質(zhì)存在一定的差異，因此，對(duì)概念設(shè)計(jì)的理論也不盡相同。因此，加強(qiáng)對(duì)建筑人員素質(zhì)的培養(yǎng)和經(jīng)驗(yàn)積累是做好優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容，高素質(zhì)的設(shè)計(jì)人員可根據(jù)其自身豐富的經(jīng)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.4 加強(qiáng)房屋建筑防震安全結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一般條件下，具備良好延性的分支體系通常是構(gòu)成房屋抗震結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的主要內(nèi)容，房屋結(jié)構(gòu)的各個(gè)構(gòu)件通過(guò)延性較好的構(gòu)件進(jìn)行連接可提高其抗震性能，如通過(guò)剪力墻與延性框架兩分體的連接可構(gòu)成建筑的框剪結(jié)構(gòu)；另外，在結(jié)構(gòu)體系中，采取對(duì)稱、剛度均勻的布置形式是降低地震災(zāi)害的有效方法。通過(guò)結(jié)構(gòu)的延展性設(shè)計(jì)可有效降低因地震災(zāi)害造成的房屋建筑脆性破壞。

在特大地震作用中，通常會(huì)伴隨多次小、余震災(zāi)害的出現(xiàn)，據(jù)此可通過(guò)在房屋結(jié)構(gòu)中設(shè)置一道防震線降低災(zāi)害損失，對(duì)于次要構(gòu)件，可設(shè)計(jì)在地震先破壞的位置，并以此消耗地震能量達(dá)到保護(hù)重要構(gòu)件的目的。進(jìn)行房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能地提高防震冗余度要求，并且建立結(jié)構(gòu)體系屈服分布狀態(tài)，最大程度地降低或消耗地震災(zāi)害的作用力。綜上所述，進(jìn)行房屋建筑優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，可綜合利用各項(xiàng)防震技術(shù)措施顯著提升其抗震水平。

4 總結(jié)

在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)用優(yōu)化技術(shù)不僅可有效提高建筑物耐久性、安全性以及功能性等特征，而且可以在滿足人們對(duì)多樣化居住需求的條件下，提升房屋的經(jīng)濟(jì)性與美觀性，并降低房屋建筑的建設(shè)成本。因此，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，應(yīng)結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)充分利用優(yōu)化技術(shù)確定科學(xué)、合理的方案，盡可能地降低資金投入，提高項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性能。在實(shí)際工程應(yīng)用中，雖然結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)還存在各種各樣的困難，但是經(jīng)驗(yàn)越豐富的設(shè)計(jì)人員應(yīng)利用現(xiàn)有技術(shù)方法和經(jīng)驗(yàn)推動(dòng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的進(jìn)一步發(fā)展。