土木工程建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化探析

林小杰

（福建江夏學(xué)院 福建福州 350108）

0 引言

現(xiàn)階段來看，人們對于建筑有了更高的要求，包括建筑的規(guī)模、功能、內(nèi)部設(shè)備以及外觀等多個方面，在要求質(zhì)量的同時，還要保證經(jīng)濟效益上的穩(wěn)定，這對于土木建筑工程來說有著一定的難度。在科學(xué)技術(shù)以及全球一體化的發(fā)展情況下，已經(jīng)有一些新型施工工藝以及材料應(yīng)用到建筑工程中，并且起到了一定的作用，與過去的土木建筑相比，現(xiàn)階段的建筑工程已經(jīng)逐漸向智能化與自動化發(fā)展，許多機械設(shè)備的應(yīng)用，大幅度的提高了施工的工作效率，降低成本上的投入，解決施工過程中的難題，但是與此同時，建筑市場的競爭也在逐步提高，在這種環(huán)境背景下，人們對于建筑有了新的要求，包括質(zhì)量、功能和外觀等多個方面，這就需要相關(guān)人員做好施工前的勘測以及設(shè)計，尤其是對于結(jié)構(gòu)設(shè)計來說，如何滿足消費者的需求，找到過程中存在的問題，并且做好優(yōu)化設(shè)計是現(xiàn)階段工作人員的主要研究方向。

1 土木建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的分類

在土木建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，可以分為上部結(jié)構(gòu)設(shè)計以及基礎(chǔ)設(shè)計兩種，在具體的操作過程中，應(yīng)該根據(jù)具體的類型對設(shè)計過程進行分類，可以分為以下幾方面：

1.1 框架結(jié)構(gòu)設(shè)計

框架結(jié)構(gòu)是由建筑中的梁和柱共同組成的組裝結(jié)構(gòu)，從而承擔房屋中的全部荷載。對于現(xiàn)階段的建筑工程來說，一些高層建筑或者工業(yè)建筑在形式上有著一定的復(fù)雜性，普通的磚墻已經(jīng)不能滿足荷載過程中的要求，所以采用框架作為其中的承重結(jié)構(gòu)?？蚣芙Y(jié)構(gòu)根據(jù)工程規(guī)模以及信息上的不同，可以分為多層、單層等多種結(jié)構(gòu)，在土木建筑中，根據(jù)材料的不同可以分為混凝土框架、膠合木結(jié)構(gòu)框架以及鋼筋混凝土框架等，在設(shè)計過程中可以采用整體裝配的形式，根據(jù)荷載能力對框架施加不同的預(yù)應(yīng)力。對于框架結(jié)構(gòu)來說，它的主要特點就是具有一定的靈活性，可以節(jié)省工程周期，讓框架中的梁和柱變得更加標準化，提高工程的質(zhì)量，使建筑具有一定的整體性。但是框架結(jié)構(gòu)設(shè)計也容易由于受力特點或者設(shè)計方面的問題導(dǎo)致對結(jié)構(gòu)上的破壞，可能影響建筑空間的合理運用。

1.2 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計

剪力墻結(jié)構(gòu)就是通過鋼筋混凝土的墻板代替框架結(jié)構(gòu)中的梁柱，從而提高建筑內(nèi)部的荷載能力，并且控制結(jié)構(gòu)過程中的平衡作用力，這種方式已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于土木建筑中，對于建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有著一定的作用。在剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，它的主要承重力全部來自于剪力墻，除了可以承擔豎直和水平方向上的荷載能力外，還可以對建筑內(nèi)部空間進行一定的分隔，一般來說，剪力墻的高度在設(shè)計過程中與建筑內(nèi)部的高度是相等的，相較于建筑空間來說，它的厚度很薄，最小的大概在16cm左右，這也就大幅度的提升了剪力墻在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的空間范圍。在具體的土木建筑中，可以根據(jù)建筑的規(guī)模，設(shè)置不同數(shù)量的剪力墻，但是需要注意的是剪力墻之間的距離有著標準的規(guī)范，從而提高它的空間利用率。

1.3 筒中筒結(jié)構(gòu)設(shè)計

筒中筒結(jié)構(gòu)設(shè)計是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的一種，是由心腹筒、框筒以及桁架筒構(gòu)成，通過不同筒結(jié)構(gòu)中的內(nèi)外作用力從而抵抗建筑中的水平承重力。由剪力墻圍成的筒體被稱為是心腹筒，在心腹筒表面呈現(xiàn)有規(guī)則排布的孔狀筒體被稱為是框筒，由豎桿和斜桿組成的架構(gòu)形式被稱為是桁架筒。在筒中筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，通常都會由水平方向承載一定的作用力，長此以往會使其變成彎曲的形狀，但是在普通的建筑物荷載下，它的抗側(cè)剛度還是大于同種框架體系的。由于在筒中筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，內(nèi)外筒之間存在一定的空間，所以提高了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的靈活性，可以達到不同的建筑效果。

1.4 砌體結(jié)構(gòu)

砌體結(jié)構(gòu)就是指在建筑中通過磚墻來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的整體承重，構(gòu)造柱以及橫梁和樓板大多采用混凝土的結(jié)構(gòu)形式，砌體結(jié)構(gòu)也被稱為是混合結(jié)構(gòu)，在建筑設(shè)計過程中采用了不同的材料設(shè)計，大多應(yīng)用于多層或者低層的建筑過程中。在砌體結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，都是通過樓板以及墻體作為建筑的主要承重結(jié)構(gòu)，雖然理論上框架結(jié)構(gòu)的承重能力是多于砌體結(jié)構(gòu)的，但是在實際的應(yīng)用中，由于抗震等級的影響，砌體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性更強一點。除此之外，在砌體結(jié)構(gòu)的發(fā)展中，還應(yīng)該注意設(shè)計過程中與空間結(jié)合方面的問題，以創(chuàng)造良好的室內(nèi)環(huán)境作為主要目的，可以通過與現(xiàn)代技術(shù)的結(jié)合從而提高建筑的穩(wěn)定性。

2 土木建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的原則

2.1 保證合理的結(jié)構(gòu)性能

在土木建筑設(shè)計的過程中，應(yīng)該從建筑的整體性出發(fā)，明確建筑結(jié)構(gòu)的基本性能，對于一個工程來說，在設(shè)計的過程中應(yīng)該同時注意它的剛性強度以及柔性強度，要根據(jù)工程的具體信息以及應(yīng)用功能進行判斷，對于有些建筑來說，如果剛性強度過大，則會導(dǎo)致建筑在變形能力上的問題，從而會導(dǎo)致它的荷載重量變大，引起對建筑的局部損壞。但是如果柔性過強的話也會由于結(jié)構(gòu)上的變化導(dǎo)致不能承受原有的荷載，甚至?xí)鸾ㄖw上的坍塌，因此，在設(shè)計過程中，設(shè)計師要找到其中的關(guān)鍵點，達到剛?cè)岵哪康?，著力于建筑的整體來進行構(gòu)思，尋找合理的建筑結(jié)構(gòu)體系。

2.2 保證結(jié)構(gòu)體系的安全性

在土木建筑結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計過程中，保證建筑的安全性是設(shè)計的主要原則，也是建筑施工中的重點管理內(nèi)容，在結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，設(shè)計師應(yīng)該注意對建筑性能上的加固，設(shè)置不同的安全防線，保證構(gòu)件在安裝過程中的穩(wěn)定性，不能因為理論上框架結(jié)構(gòu)的承重能力是大于砌體結(jié)構(gòu)的，就盲目的進行結(jié)構(gòu)上的選擇，還是應(yīng)該從建筑的環(huán)境等方面出發(fā)，考慮到自然災(zāi)害對它的影響，在設(shè)計的過程中，可以設(shè)置多道防線，因為在建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，絕對安全的設(shè)計構(gòu)件和過程是不存在的，只有通過多種安全防護措施的建立才能降低危險發(fā)生的可能性，這樣經(jīng)過較長的時間，還能使建筑盡量保持原有的整體結(jié)構(gòu)。

2.3 保證設(shè)計過程中的重點

現(xiàn)階段來說，土木建筑在功能和規(guī)模上都有了一定的提升，在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中多了很多復(fù)雜的工作，在不同項目設(shè)計中可能會出現(xiàn)交叉現(xiàn)象的存在，這時候設(shè)計師就要注意工作中的重點內(nèi)容，明確什么部分才是結(jié)構(gòu)設(shè)計中的主要承重，從結(jié)構(gòu)的安全性去考慮，有的放矢的來確定不同構(gòu)件的設(shè)計位置，從而減少施工過程中可能出現(xiàn)的損失，分清設(shè)計過程中的主次，協(xié)調(diào)好設(shè)計過程中互相之間的關(guān)系，把好質(zhì)量關(guān)卡，從重點內(nèi)容出發(fā)進行著重考慮。

2.4 保證設(shè)計過程中的高效性

對于結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計來說，它屬于土木建筑的一部分，設(shè)計師在設(shè)計過程中，還需要注意它的高效性，要從建筑工程的整體來思考問題，明確結(jié)構(gòu)施工圖紙與計算過程中準確性的同時，還要保證它們的速度，在相關(guān)圖表制作的過程中，可以通過借助一些先進技術(shù)來提高它的計算效率，從而保證土木建筑的工程進度，做到設(shè)計過程中準確性以及速度上的有效平衡。

3 土木工程建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的問題

對于現(xiàn)階段來說，人們對于建筑質(zhì)量的要求是非常高的，而且還是在保證建筑功能的前提下，這對于土木工程建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計來說也就提出了更高的要求，在這種情況下，需要對設(shè)計過程中存在的問題進行分析，找到合理的優(yōu)化方式，從而提高土木建筑的市場價值。

3.1 地基設(shè)計方面的問題

地基設(shè)計是土木建筑設(shè)計過程中的基礎(chǔ)，對于結(jié)構(gòu)的安全以及穩(wěn)定有著重要的作用，隨著建筑承重能力的提高，在地基設(shè)計過程中也有了很多方面的壓力。這也就導(dǎo)致在地基設(shè)計中，存在一些原則上的問題。首先，在土木建筑的地基設(shè)計過程中，設(shè)計師沒有考慮到在施工過程中由于建筑的自重從而導(dǎo)致的壓縮以及沉降不均勻的問題，特別是有些建筑它的自重并不是理論上的數(shù)據(jù)，還需要考慮在施工過程中所施加的壓力，這就導(dǎo)致在地基下沉過程中出現(xiàn)不平衡受力的情況，如果當?shù)鼗惺艿暮奢d能力較大時，不均勻沉降的可能性也在提高。其次，設(shè)計師在設(shè)計的過程中沒有考慮到地基滲漏方面的問題，沒有采取有效的防水措施，對于水量的設(shè)置范圍沒有從長遠角度來考慮，如果經(jīng)過長時間的累積，地基的滲透量超過一定的范圍，就可能引發(fā)一些嚴重的安全事故。另外，對于一些帶有地下室的土木建筑來說，設(shè)計師在混凝土強度以及墻體設(shè)計等多方面沒有采取針對性的設(shè)計方案，沒有考慮到地下室環(huán)境的影響，從而導(dǎo)致存在一定的安全隱患。出現(xiàn)這些情況的原因是由于在設(shè)計過程中沒有對實地進行仔細的考察，缺少一定的實踐依據(jù)。

3.2 抗震設(shè)計存在的問題

在現(xiàn)代的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，由于它的高度有著不同的特點，而且從城市發(fā)展來看，房屋建筑逐漸朝著高層建筑發(fā)展，在這種情況下，為了進一步提高建筑的穩(wěn)定性，避免自然災(zāi)害對建筑結(jié)構(gòu)上的影響，應(yīng)該加強抗震方面的設(shè)計?，F(xiàn)階段來說，在抗震設(shè)計的過程中，仍然存在一些問題，主要體現(xiàn)在以下方面。首先，有些設(shè)計在設(shè)計過程中沒有從綜合方面進行考慮，導(dǎo)致有些承重柱的橫截面太小，當建筑受到一定的外力作用時，就會降低結(jié)構(gòu)中的穩(wěn)定性，很容易引發(fā)建筑的倒塌現(xiàn)象。其次，在抗震設(shè)計過程中，我國關(guān)于這方面有著抗震等級的明確規(guī)定，但是在實際的設(shè)計過程中，不應(yīng)該按照抗震等級作為設(shè)計中的主要指標，因為在不同的建筑工程中，它的地理環(huán)境是不同的，也可能導(dǎo)致理論和實際中的不匹配，造成安全隱患。另外，需要注意的是，有些設(shè)計師在結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，對于平面的布置存在不規(guī)則的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致單元上的不對稱，進而影響建筑的結(jié)構(gòu)性能。

3.3 結(jié)構(gòu)圖紙設(shè)計中的問題

結(jié)構(gòu)施工圖是土木建筑中結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點內(nèi)容，也是承重構(gòu)件布置上的主要依據(jù)，在結(jié)構(gòu)施工圖中，對于建筑的材料以及規(guī)格等方面都有著標準的劃分。在圖紙設(shè)計的過程中，目前存在的主要問題在于基礎(chǔ)平面圖的繪制以及工程計算等方面的問題。首先，在基礎(chǔ)平面圖的繪制過程中，有些設(shè)計師并沒有對所有的細節(jié)進行完善，有些工作并沒有在平面圖中顯示出來，例如定位軸線以及施工后澆帶等方面的工作，這些施工工藝與建筑的質(zhì)量有著密切的聯(lián)系，也是工人在施工過程中的主要依據(jù)。其次，平面圖中的符號和元素不全也是其中存在的問題，有些工藝在設(shè)計過程中沒有進行詳細的編號，尤其是對于不同的樁來說，它有著不同的規(guī)格，如果沒有進行相應(yīng)的編號，很可能會在施工中造成混亂的現(xiàn)象。另外，需要注意的是，在工程計算的過程中存在的問題，設(shè)計師在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中需要對某些環(huán)節(jié)進行計算，得到具體的參數(shù)，但是有些設(shè)計師對于計算過程沒有進行二次核驗，導(dǎo)致許多參數(shù)存在一定的問題。

4 土木工程建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化措施

4.1 地基結(jié)構(gòu)設(shè)計中的優(yōu)化

在土木建筑的地基設(shè)計過程中，設(shè)計部門的工作人員需要對現(xiàn)場進行實地勘測，根據(jù)相應(yīng)的地質(zhì)報告以及工程的主要信息，來確定在施工過程中建筑物的自重以及外界施加的壓力，從而確定它的荷載范圍，由專業(yè)的工作人員進行底面積的測繪以及計算，保證地基設(shè)計過程中的穩(wěn)定性，避免由于外界壓力導(dǎo)致沉降不均勻的現(xiàn)象發(fā)生。其次，還應(yīng)該考慮在設(shè)計過程中的施工技術(shù)以及材料，以具體的工程為準，選擇合適的地基處理技術(shù)，通常來說包括獨立地基、淺地基以及深地基和樁基等，在材料的選擇中，也要保證材料的強度等級，確定它的主要性能，保證在施工過程中的質(zhì)量問題，對可能用到的鋼筋進行計算，從地基的內(nèi)部預(yù)應(yīng)力進行考慮。另外，在地基壓實的設(shè)計工作中，盡可能保證材料上的穩(wěn)定性，避免選擇類似于軟土性能的材料，避免材料自身存在壓縮或者膨脹的現(xiàn)象，注意結(jié)構(gòu)上的緊密性。

4.2 抗震設(shè)計中的優(yōu)化

在土木建筑的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，應(yīng)該注意設(shè)計過程中計算數(shù)據(jù)的準確性，保證承重柱中橫截面積達到一定的標準，在施工之前要進行預(yù)應(yīng)力方面的測驗，保證它可以承受住一定范圍的外界作用力。其次，在設(shè)計過程中，要保證支柱、剪力墻以及橫梁之間達到了一定的平衡，在設(shè)計過程中避免剛度太強，要具有一定的變性能力，可以根據(jù)外力作用來調(diào)節(jié)自身的承受能力，對剪力墻進行有效的保護，提高建筑本身的抗震能力。另外，還應(yīng)該對照國家標準規(guī)定的抗震等級進行設(shè)計，在實際的設(shè)計過程中，由于工程環(huán)境以及外力的影響，通常來說，抗震等級都會比規(guī)定的標準高一點，為了保證建筑在作用力下也能保持相應(yīng)的延展性和承載能力，這就要求設(shè)計師在設(shè)計過程中需要注意鋼筋中的結(jié)構(gòu)配比以及和混凝土之間形成的作用力，從而保證對抗震安全的有效性。

4.3 結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計中的優(yōu)化

在結(jié)構(gòu)圖紙的設(shè)計過程中，設(shè)計師需要從圖紙的應(yīng)用角度來進行考慮，保證設(shè)計圖紙的完整性，準確性以及靈活性。首先，在圖紙設(shè)計過程中，設(shè)計師應(yīng)該明確建筑中的具體項目類型，繪制出相應(yīng)的定位軸線以及基礎(chǔ)構(gòu)建，明確它們的具體位置以及尺寸、編號等，從而保證在施工過程中可以做好細節(jié)上的問題。其次，設(shè)計師還應(yīng)該對一些重點工程進行詳細的分解，尤其是在施工技術(shù)以及材料的選擇上，確定它的合理性，保證計算過程中的準確性，包括基坑深度、承載力以及橫截面的參數(shù)等方面。另外，設(shè)計師要對結(jié)構(gòu)圖紙中的一些預(yù)埋件和設(shè)備進行相應(yīng)的標注，提供編號和詳細圖紙，如果在施工過程中存在一定的問題，也要及時對設(shè)計圖紙進行完善和更改，保證它的靈活性。

4.4 加強工作人員的管理

對于結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中的工作人員來說，也要進行相應(yīng)的優(yōu)化措施。首先，應(yīng)該保證工作人員在設(shè)計過程中真正的走入到工程中，而不是紙上談兵，在設(shè)計過程中，應(yīng)該加強他們與其他部門之間的有效聯(lián)系，避免出現(xiàn)“信息孤島”等問題，做好各方面的協(xié)調(diào)，才能保證基礎(chǔ)工作的完善。其次，還要設(shè)置相應(yīng)的考核制度提高他們的工作水平，對一段時間內(nèi)的工作內(nèi)容進行評定，建立獎懲措施，起到一定的警示作用，這樣才能保證在工作過程中對細節(jié)上的把握，避免粗心大意引發(fā)的問題，提高他們的工作能力。

5 結(jié)語

總而言之，人們對于土木工程中的建筑質(zhì)量有了更高層次的要求，這也需要加強結(jié)構(gòu)設(shè)計上的優(yōu)化，從基本的設(shè)計原則出發(fā)，明確結(jié)構(gòu)設(shè)計中可能存在的問題，從地基設(shè)計、圖紙設(shè)計以及抗震設(shè)計等多個方面做好優(yōu)化措施，加強員工的管理，從而提高結(jié)構(gòu)設(shè)計過程的整體水平。