建筑結(jié)構設計優(yōu)化，提高結(jié)構設計質(zhì)量

薛毅明

摘要：本文對建筑結(jié)構優(yōu)化設計的必要性、建筑結(jié)構設計優(yōu)化應滿足的要求、編制科學地優(yōu)化設計方案及建筑結(jié)構優(yōu)化設計的方案進行了詳細的探討。

關鍵詞：建筑結(jié)構;優(yōu)化設計;質(zhì)量

建筑結(jié)構設計要考慮工程成本以及建筑后期使用、維護的節(jié)能性，還要最大限度滿足使用者對建筑結(jié)構本身的功能需求，對建筑結(jié)構設計優(yōu)化，提出了更迫切、更高要求。所謂結(jié)構優(yōu)化設計，就是指工程結(jié)構在滿足約束條件下按預定目標求出最優(yōu)方案的設計方法。要想做好建筑結(jié)構的優(yōu)化設計，要選擇合理的結(jié)構方案，其決定了整個設計的好壞成敗。因為對同一個建筑設計方案而言，結(jié)構設計不是唯一的，不同方案會使工程質(zhì)量和工程造價產(chǎn)生很大差別。

一、建筑結(jié)構優(yōu)化設計的必要性

為了達到結(jié)構優(yōu)化設計的目的，工程設計人員必須在保證結(jié)構安全的前提下，通過對建筑結(jié)構的理性分析，采用合理的優(yōu)化設計理念和方法進行優(yōu)化設計，使得能有效地控制工程造價，滿足投資方的經(jīng)濟要求。通過以往的優(yōu)化設計經(jīng)驗來看，相比于傳統(tǒng)的設計方法，優(yōu)化設計通常可以達到降低工程造價5% ～30%的目的。但是在實際的工程設計中，很多因素都制約了優(yōu)化設計的開展和實施。比如，工程的設計進度的要求，使得設計人員根本無暇顧及到結(jié)構的優(yōu)化設計要求，為此，為了降低工程造價的成本，提高設計人員在工程建設過程中對優(yōu)化設計的把握非常必要，只有加強技術和經(jīng)濟效益的有效結(jié)合，通過合理的優(yōu)化設計方案，達到降低工程造價的目的，創(chuàng)造更大的社會效益。

二、建筑結(jié)構設計優(yōu)化應滿足的要求

（一）安全性的要求

建筑作為現(xiàn)代人類最主要、最基本的生存環(huán)境，它與我們的生活、工作息息相關。所以，其安全性是建筑結(jié)構優(yōu)化設計中所必須考慮到的一項基本要求。如果只是對建筑結(jié)構的功能性、經(jīng)濟性進行了考慮，而忽略了對建筑機構設計安全性的決策、設計與建設，那么這樣的設計是沒有任何優(yōu)越性可言的，還可能會帶來一些災難性后果。所以，在建筑結(jié)構優(yōu)化設計中，安全性是最首要的考慮因素。

（二）滿足舒適性的要求

住宅建筑設計應為住戶起居舒適性的要求提供條件，例如，多種戶型要靈活分隔室內(nèi)的空間，人居的熱光聲的環(huán)境等要求，給居住的人創(chuàng)造一個舒適的環(huán)境。結(jié)構方案還應該考慮到住戶在日后改變分隔的空間的可能性，當采用剪力墻結(jié)構的時候，宜采用大開間的布置。

（三）經(jīng)濟性的要求

考慮到建筑結(jié)構優(yōu)化設計的經(jīng)濟性不只是為了控制投資成本，更是為了適應當前的市場經(jīng)濟環(huán)境。建筑結(jié)構設計的經(jīng)濟性是指在滿足安全性、功能性以及環(huán)保性的基礎之上，盡可能降低投資成本。

三、建筑結(jié)構優(yōu)化設計的方案

（一）耐久性的優(yōu)化設計

在大部分混凝土結(jié)構設計方案中，很多沒有充分考慮到建筑結(jié)構設計耐久性，也就是保證高層建成之后，在合理使用期限內(nèi)，要能滿足用戶正常使用要求。但是很多的設計未能達到，造成此現(xiàn)象的根本原因是沒有充分考慮到建筑結(jié)構在使用的過程中，遭受條件和使用環(huán)境變化最終造成房屋結(jié)構損傷，引起房屋可靠度指數(shù)下降。對一般高層混凝土結(jié)構設計來說，低造價和省材料設計都應為滿意的結(jié)構設計，但隨著人們生活水平的提高和在實際工程中，有時在其他使用要求或技術指標上升為設計主要矛盾時，設計者們就要放棄對經(jīng)濟的單純追求。所以當選以高層混凝土結(jié)構優(yōu)化為設計的主要目的時，就應依據(jù)設計所要面對的關鍵性問題，分清主次，選多目標或單目標來實施優(yōu)化，達到滿意效果。

（二）加強剪力墻的優(yōu)化設計

剪力墻設計中連梁的設計是關鍵。聯(lián)肢墻是通過連梁連接的各墻肢聯(lián)結(jié)而成，從而增加了墻肢的約束條件。連梁的剮度增大必將使得結(jié)構的地震作用也增大，這樣連梁和墻肢分配內(nèi)力也相應增大，此時必須增大構件的配筋量，顯然這一設計結(jié)果必然會造成材料的浪費。因此，在住宅結(jié)構設計時，有經(jīng)驗的設計師都不會采用大剛度的窗下墻作為連梁，而將連梁設計成為截面、剛度較小的弱連梁。同時，在滿足結(jié)構剛度與變形要求時，應從經(jīng)濟角度與抗力、變形方面綜合考慮，合理布置抗側(cè)力構件。顯然，剪力墻數(shù)量越多，結(jié)構抗側(cè)力剛度愈大，相應結(jié)構位移會減小，但是結(jié)構地震力會隨抗側(cè)力剛度增大而加大，對結(jié)構的造價控制不利。因此剪力墻應以周邊均勻、對稱、分散等原則合理布置，以規(guī)范規(guī)定的水平位移限值為準盡可能減少剪力墻數(shù)量。

（三）合理使用高強鋼筋與高強混凝土

高層建筑的總造價一般都包括框架結(jié)構材料、施工和基礎的物料費用等，其中用鋼量以及構筑件截面積對房屋造價影響較大，故在建筑設計中合理使用高強混凝土與高強度鋼筋可有效降低用鋼量，節(jié)約建筑成本。若高層建筑設計位于厚軟的地基上，那么由于坐落在地基上的荷載大，合理使用高強鋼筋和高強混凝土來優(yōu)化構件的截面積，減輕結(jié)構重量，將會顯著降低工程造價及基礎設施施工難度，取得較好經(jīng)濟效果。對于震區(qū)的高層樓房來說，地震力作用的大小與建筑物的自重相關，人為地減輕建筑物的自重，降低結(jié)構在地震的荷載，可提高建筑物的安全性。在設計中高效地使用高強鋼筋及高強混凝土，能快速有效的縮小梁墻板柱等構件截面積，達到建筑造價目的。

（四）建筑結(jié)構抗震性設計

在工程圖紙設計過程中，房屋結(jié)構按抗震設防分類，房屋抗震等級可根據(jù)房屋高度、烈度以及結(jié)構類型按國家《抗震規(guī)范》確定。地震震力振型組合數(shù)據(jù)對建筑應當不考慮扭耦聯(lián)轉(zhuǎn)計算;當振型數(shù)大于3的時候，應取3的整數(shù)倍計算，但數(shù)據(jù)不能大于建筑物層數(shù);當房屋層數(shù)不大于2 時，振型數(shù)則可取房屋層數(shù)。對于不規(guī)則房屋的結(jié)構，應考慮扭耦聯(lián)轉(zhuǎn)，對高層房屋建筑來說，振型數(shù)應取不小于9;房屋結(jié)構層數(shù)多或房屋結(jié)構剛度突變系數(shù)大的話，振型數(shù)則應多取，例如結(jié)構中含多塔結(jié)構或頂部有小塔樓和轉(zhuǎn)換層等，振型數(shù)應取不小于12的數(shù)，但其大小仍不能大于房屋總層數(shù)3倍，除非其含有彈性定義的樓板，而且采取總剛性分析的時候，振型數(shù)才能夠取的更大。

（五）注重細部優(yōu)化

1、在注重整體設計的同時，也應加強結(jié)構局部構件的精細設計。比如現(xiàn)澆板設計中盡量把異形板劃分為矩形板，這樣既達到合理受力的目的，也避免了拐角裂縫的出現(xiàn)。

2、底部框架抗震墻的底框梁箍筋配箍量一般較大，此時若選用冷軋帶肋鋼筋作為箍筋，便可減少箍筋肢數(shù)或箍筋直徑，達到造價的降低以及施工的方便化。還有，為減少底部截面，采用高強度的混凝土是柱構件不錯的選擇，但是水平構件混凝土可適當減少混凝土的標號，滿足了受力要求，也節(jié)約了成本。

四、結(jié)語：

總之，由于目前我國建筑行業(yè)發(fā)展迅速，在其結(jié)構設計中經(jīng)常遇會到各種問題，這就需要結(jié)構設計人員不斷地積累經(jīng)驗，自主創(chuàng)新，利用正確概念進行建筑結(jié)構的優(yōu)化設計，以便保證建筑的安全性、適用性以及舒適性。

參考文獻：

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