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

（廣州杰賽通信規(guī)劃設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510700）

近些年，人們對生活質(zhì)量和居住條件的要求不斷提升，相應(yīng)地，對建筑工程的綜合品質(zhì)也提出了更高的要求。與此同時，國家也出臺了相關(guān)政策呼吁建筑的節(jié)能化、高效化發(fā)展，這就要求建筑企業(yè)積極運用結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法，使有限的空間與資源的價值得到最大化發(fā)揮，進(jìn)而促進(jìn)建筑工程實用性、經(jīng)濟(jì)性發(fā)展目標(biāo)的實現(xiàn)，這對我國整個建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展來說也是大有好處的。

1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的重要意義

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化有利于提高材料的有效利用率

對于我國這樣的發(fā)展中國家而言，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的主要目的就是以最少的資金建設(shè)出最好的建筑。站在優(yōu)化設(shè)計的層面來看，結(jié)構(gòu)性能最佳的方案并非一定是材料利用率最高的方案，這就要求設(shè)計者在開展設(shè)計工作的時候必須注重對結(jié)構(gòu)材料的充分利用，與此同時，還要加強對各類新型建筑材料的應(yīng)用，如鋼管混凝土結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)等。其中，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是在薄壁圓形鋼管中填入混凝土的一種全新結(jié)構(gòu)形式，其可將兩類材料有機結(jié)合起來，通過填入的混凝土來提高鋼管壁本身的穩(wěn)定性水平，同時，還可利用鋼管對核心混凝土產(chǎn)生的作用，使其處于三向受壓狀態(tài)，進(jìn)而增強其抗變形能力以及抗壓強度。與普通的鋼結(jié)構(gòu)相比，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在承載力和自重基本一致的情況下，可節(jié)省約50%的鋼材，同時還可簡化焊接工序，有效降低焊接工作量。相較于普通混凝土而言，鋼管混凝土在確保鋼材使用量相近以及承載性能一致的基礎(chǔ)上，可減少大約50%的構(gòu)件截面面積，相應(yīng)的材料用量也可節(jié)省一半左右。事實證明，對房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化，可顯著提升材料的利用率，使工程成本得到有效控制。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化有利于提高建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性

建筑的層高越高，其墻體面積和柱體積也會相應(yīng)地增加，進(jìn)而致使結(jié)構(gòu)的自重增大，各類水電管線也會加長。反之，若層高較低，便可大大節(jié)省材料，同時也能增強建筑的抗震性能，與此同時，建筑的總高度也會隨之下降，兩棟建筑之間的日照距離也會因此而縮短，這就間接節(jié)省了用地面積。在建筑面積相同的條件下，若選擇圓形或接近于方形的平面形狀，建筑外墻的周長系數(shù)相對來說較小，與此同時，建筑基礎(chǔ)以及內(nèi)外表面裝修也會隨之減少，這樣就能有效提高建筑的經(jīng)濟(jì)性能。從以往的工程實踐中可以看出，采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法可使建筑工程的總造價降低6%～30%，從而使整個建筑工程的經(jīng)濟(jì)效益更為可觀。

2 當(dāng)前房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的現(xiàn)狀

2.1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙不夠詳細(xì)

建筑工程施工中一個最為基礎(chǔ)的要素就是圖紙，這也是必不可少的一大關(guān)鍵要素，整個施工過程相關(guān)工作的開展都需要以圖紙作為基本參照，只有設(shè)計出一個科學(xué)完善的建筑結(jié)構(gòu)圖紙，才能為施工提供方便，避免在后期出現(xiàn)不必要的變更。然而，當(dāng)前部分施工企業(yè)所提供的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙并不完善，圖紙中的細(xì)節(jié)內(nèi)容不夠詳細(xì)，經(jīng)常出現(xiàn)結(jié)構(gòu)類型不明確、缺乏抗震等級要求、沒有規(guī)定墻體材料類型等問題，另外，還有些圖紙本身設(shè)計不夠?qū)I(yè)，沒有嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圖紙的繪制，圖紙中的內(nèi)容標(biāo)識也不是很清晰，這種不規(guī)范的設(shè)計圖紙對施工造成的不良影響非常大，嚴(yán)重時甚至?xí)率宫F(xiàn)場施工陷入混亂無序的狀態(tài)，最終引發(fā)施工安全事故。

2.2 基礎(chǔ)選型缺乏科學(xué)性

對于房屋建筑來說，使用功能的重要性毋庸置疑，但安全性也是非常重要的，建筑物的安全水平主要是由建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性決定的。建筑結(jié)構(gòu)的選型是否科學(xué)、使用的材料是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求、承載性能是否達(dá)標(biāo)、抗震等級是否合理等，都會直接影響到建筑工程的整體安全水平。從當(dāng)前的現(xiàn)狀來看，我國建筑行業(yè)經(jīng)常出現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)選型不合理的問題，如建筑承載性能偏低、施工基礎(chǔ)差等，這就極易導(dǎo)致建筑物在后期出現(xiàn)不均勻沉降的問題，最終引發(fā)各種安全隱患。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用的步驟

3.1 建立結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型

要實現(xiàn)對房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的有效優(yōu)化，首先就必須建立科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型。結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化需要從大量變量中選擇出最為重要的參數(shù)，通過這些參數(shù)建立函數(shù)模型，從而計算出最優(yōu)解。一般來說，模型的構(gòu)建主要可分成兩大環(huán)節(jié)：首先，應(yīng)選擇最為合理的設(shè)計變量，這是構(gòu)建模型的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，變量的設(shè)計將對參數(shù)的選擇產(chǎn)生直接影響，科學(xué)合理地對變量進(jìn)行計算可大大降低后期計算編程的工作量。其次，應(yīng)對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行確定。相關(guān)人員應(yīng)先找出符合函數(shù)條件的最優(yōu)解，然后再確定約束條件，約束條件具體主要涉及到彈塑性、強度和尺寸等方面。在對建筑整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的時候，必須確保上述約束條件都處在規(guī)定范圍內(nèi)，盡可能滿足設(shè)計的相關(guān)需求。

3.2 對計算方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計

在建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，各方面的約束條件以及變量參數(shù)都會直接影響到優(yōu)化過程。因此，在開展相關(guān)計算工作的時候，必須將所有的約束條件轉(zhuǎn)化成非約束條件，保證整個優(yōu)化過程的順利完成。與此同時，還要綜合考慮變量的因素，采用科學(xué)有效的計算方式對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計加以優(yōu)化。

3.3 程序設(shè)計

在完成計算方案優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)上，還要做好程序設(shè)計工作，首先需要對程序進(jìn)行合理編寫，然后再將其導(dǎo)入到計算機之中，為后期計算工作的開展奠定基礎(chǔ)，在進(jìn)行相關(guān)計算的時候，工作人員只需要將所需數(shù)據(jù)輸入到系統(tǒng)之中，就可通過設(shè)定好的程序計算出準(zhǔn)確而直觀的結(jié)果。

3.4 結(jié)果分析

建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的最后一環(huán)就是結(jié)果分析，所有計算機計算出的數(shù)據(jù)信息都需要經(jīng)過詳細(xì)的分析才能得出最終的結(jié)果，進(jìn)而以此為依據(jù)確定最佳的優(yōu)化設(shè)計方案。在開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計工作的過程中，應(yīng)對各方面的阻礙因素進(jìn)行綜合考慮，最大限度確保結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化工作的順利完成。對建筑工程而言，整個施工過程往往需要花費較多的人力、物力以及財力，結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要目的就是把上述指標(biāo)控制在最低，并為建筑質(zhì)量的可靠性提供保障。因此，在對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的時候，必須注意以下問題：第一，應(yīng)找準(zhǔn)建筑經(jīng)濟(jì)與技術(shù)之間的平衡點，盡可能降低或消除二者之間的矛盾，即使引入了一些現(xiàn)代化技術(shù)，也無需付出過多的成本。第二，應(yīng)認(rèn)識到技術(shù)所能帶來的經(jīng)濟(jì)效益，明確技術(shù)的優(yōu)化可在一定程度上降低經(jīng)濟(jì)成本，因此，必須加強對先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的具體應(yīng)用

4.1 整體優(yōu)化和局部優(yōu)化

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計表現(xiàn)出明顯的層次性和復(fù)雜性。首先，從層次性上來看，其主要涉及到建筑設(shè)計體系、結(jié)構(gòu)體系和安裝設(shè)計體系等，且上述每個體系之下還包括諸多小的分支體系。設(shè)計人員在開展建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作的時候，應(yīng)當(dāng)結(jié)合工程的具體情況以及各個分支的特點加以優(yōu)化，循序漸進(jìn)地解決各環(huán)節(jié)遇到的困難，進(jìn)而確保整個工程的順利完工。其次，站在復(fù)雜性的層面來看，其主要涉及到建筑原材料的選擇、零部件的選擇以及結(jié)構(gòu)類型的確定等內(nèi)容。所以，不管是哪種類型的房屋建筑，都可從整體和局部出發(fā)進(jìn)行優(yōu)化，最終實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計水平的最大化提升。

4.2 基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計

房屋建筑的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與建筑整體功能的正常發(fā)揮及其穩(wěn)定性有著十分密切的聯(lián)系，所以，在進(jìn)行建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計的時候，設(shè)計人員必須注重對結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法的運用，盡量實現(xiàn)對地基地質(zhì)、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)等重點環(huán)節(jié)設(shè)計工作的全方位把控，在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案中，應(yīng)處理好建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與施工成本、施工技術(shù)等的關(guān)系，找準(zhǔn)三者之間的平衡點。對于框架結(jié)構(gòu)來說，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)勘察報告對基礎(chǔ)形式進(jìn)行合理選擇，若施工現(xiàn)場的地基承載力較好，則最好選擇淺基礎(chǔ)形式；若施工現(xiàn)場的地基承載力較差或者土質(zhì)狀況不佳，首先應(yīng)考慮地基處理方案是否具備可行性，若可行則選用地基處理方案，若不可行則需采用樁基礎(chǔ)。灌注樁和預(yù)制樁是兩類比較常見的樁基礎(chǔ)形式，其中，灌注樁的施工過程比較復(fù)雜，整個施工工期也比較長，且很難對施工質(zhì)量進(jìn)行有效控制。因此，在沉降滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，可采用預(yù)制樁施工法，利用深層樁基增大土壤對樁身的摩擦力，并盡可能選用長度較長的預(yù)制樁。

4.3 分階段優(yōu)化

建筑工程項目各個環(huán)節(jié)的施工都是密切聯(lián)系的，且每一個環(huán)節(jié)都有著自身獨特的優(yōu)化設(shè)計方法。因此，在實際開展工程建設(shè)工作的時候，應(yīng)堅持分階段優(yōu)化設(shè)計的原則，首先應(yīng)對建筑施工建設(shè)的階段進(jìn)行合理劃分，然后將不同階段的性質(zhì)作為參考依據(jù)，對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計加以優(yōu)化，同時還要注重對整個工程壽命的優(yōu)化，這樣才能使企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益得到進(jìn)一步提升。

4.4 上部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

在對房屋建筑的上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的時候，首先應(yīng)對剪力墻進(jìn)行科學(xué)設(shè)置，具體而言，應(yīng)讓剪力墻的質(zhì)量保持一定的均勻性，確保對稱樓層的平面中心與同樓層的結(jié)構(gòu)重心相重合，盡量降低大風(fēng)、地震等外部因素帶來的不良影響。在房屋類型滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，應(yīng)采用大開間的剪力墻構(gòu)造形式，適當(dāng)增長剪力墻的墻肢，控制墻肢總數(shù)，從而節(jié)約混凝土使用量。另外，由于剪力墻的暗柱一般采用的是鋼筋，這樣一來，就可通過采用大開間剪力墻來降低鋼筋的使用量。但是，在遇到建筑施工現(xiàn)場地質(zhì)條件較差或者地質(zhì)環(huán)境比較復(fù)雜的情況時，不能減少鋼筋的數(shù)量，在這種情況下也就不適用采用大開間剪力墻的構(gòu)造形式。

4.5 排水結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)優(yōu)化

現(xiàn)代房屋建筑工程中往往設(shè)有給排水專用房，其中涉及到大量的機械設(shè)備，如此一來就會加大建筑的負(fù)荷量，所以，在設(shè)計的時候應(yīng)盡量將水泵設(shè)置在地下室中。需要注意的一點是，由于排水房間中的管道數(shù)量非常多，且管道規(guī)格尺寸各不相同，因此，必須適當(dāng)加固樓板上的穿孔位，預(yù)留出滿足規(guī)范要求的孔洞，最好不要讓孔洞影響到水平方向管線對建筑梁結(jié)構(gòu)的貫穿。若管道需要貫穿房屋的承重墻，則還要注重加強對墻體的維護(hù)，整個排水結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中，必須處理好結(jié)構(gòu)布設(shè)與管網(wǎng)體系的關(guān)系，以免發(fā)生管道繞梁或柱的問題。

5 結(jié)語

綜上所述，結(jié)構(gòu)設(shè)計在房屋建筑建設(shè)過程中占據(jù)著十分重要的地位，而要使結(jié)構(gòu)設(shè)計更好地滿足工程建設(shè)需求，就必須積極運用結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法，一般來說，房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的步驟主要為建立結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型、優(yōu)化計算方案、程序設(shè)計以及結(jié)果分析。從優(yōu)化內(nèi)容上來看，主要涉及到整體優(yōu)化和局部優(yōu)化、基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計、分階段優(yōu)化、上部結(jié)構(gòu)優(yōu)化等，只有落實好上述幾個方面的優(yōu)化設(shè)計工作，才能使房建工程結(jié)構(gòu)設(shè)計水平得到全方位提升。