民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化對策分析

趙變青

（太原市建筑設(shè)計研究院，山西太原 030002）

0 引言

現(xiàn)代化民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，除了需要滿足安全性、耐久性這些基本要求以外，還要體現(xiàn)出舒適性、節(jié)能性、美觀性設(shè)計，為人們提供更加安全健康的活動空間。以此，需要全體民用建筑設(shè)計人員在堅持相關(guān)設(shè)計原則的基礎(chǔ)上，積極探索新型設(shè)計理念以及優(yōu)化設(shè)計對策，不斷提升自身設(shè)計水平，設(shè)計出讓廣業(yè)滿意的優(yōu)質(zhì)方案，推動我國建筑行業(yè)的健康發(fā)展。

1 民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計原則

1.1 安全牢固性原則

確保民用建筑結(jié)構(gòu)的安全牢固性，是民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的第一要務(wù)，所有設(shè)計思路都要圍繞這一點展開。比如在考慮運用新型建筑材料、引進(jìn)創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計時，都要優(yōu)先保證建筑結(jié)構(gòu)的安全牢固性，還要充分考慮建筑物使用年限與耐久性問題。只有這樣，所有的優(yōu)化與創(chuàng)新設(shè)計才有意義，為建筑施工安全、工程質(zhì)量以及使用性能獲得可靠保障。

1.2 經(jīng)濟(jì)適用性原則

開發(fā)商之所以投資興建民用建筑，其主要目標(biāo)之一便是獲取經(jīng)濟(jì)效益。因此，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需要在保證施工質(zhì)量和房屋使用安全的基礎(chǔ)上，或者說在滿足建筑結(jié)構(gòu)個性化設(shè)計的同時，最大限度減少建筑材料的使用、資源占用、縮短工期、節(jié)省人工成本，避免浪費。這不僅是為了滿足企業(yè)盈利與發(fā)展的需要，更是積極響應(yīng)構(gòu)建節(jié)能環(huán)保型社會、實現(xiàn)資源高效利用的重要途徑。

1.3 美觀個性化原則

之所以需要針對民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)地優(yōu)化與創(chuàng)新，很大一部分原因源自于人們希望居住環(huán)境的越來越符合自己的審美需求、越來越能夠體現(xiàn)個性與品味。因此，建筑設(shè)計師在開展方案設(shè)計時，需要充分結(jié)合現(xiàn)化人的審美傾向、文化層次與心理需求。只有這樣，才能設(shè)計出符合市場需求的優(yōu)質(zhì)方案。

2 民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

2.1 砌體結(jié)構(gòu)

在當(dāng)前的民用建筑工程當(dāng)中，很多豎向受力構(gòu)件都是采用磚墻或其他類砌體構(gòu)建而成，而橫向受力構(gòu)件大多為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計可以更好地承受來自于屋面、樓面以及梁的壓力。砌體結(jié)構(gòu)主要適用于多層建筑、房間面積和開間進(jìn)深相對較小的低層建筑。在進(jìn)行砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，墻體是主要的受力構(gòu)件。所以墻體必須保證體壇具有足夠的厚度，從而滿足建筑物抗震性和穩(wěn)定性需求。另外，在設(shè)計方案當(dāng)中，還要體現(xiàn)施工過程的方便性與快捷性，達(dá)到縮短工期、控制成本的目的[1]。

2.2 框架式結(jié)構(gòu)設(shè)計

當(dāng)前的民用建筑框架結(jié)構(gòu)，主要由鋼筋混凝土梁和柱共同合成而成，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于可以最大限度承載側(cè)向水平力和豎向荷載。而且平面布置中，框架結(jié)構(gòu)具有較強的靈活性、抗彎能力和抗震性，但它卻容易受到房屋高度上的限制。因此，框架設(shè)計適合用于建筑高度不超過60m 的民用房屋工程。在框架式結(jié)構(gòu)的用料方面，主要以鋼筋混凝土或者型鋼類材料為主。這種材料與其他材料相比，具有更強的抗壓彎曲能力，可以有效保證建筑結(jié)構(gòu)使用年限。

2.3 簡體結(jié)構(gòu)設(shè)計

簡體結(jié)構(gòu)是由構(gòu)架式結(jié)構(gòu)和全構(gòu)架墻結(jié)構(gòu)發(fā)展而來，通過這種結(jié)構(gòu)設(shè)計，將建筑物內(nèi)部和外圍形成一個封閉式空間。因此，在很多簡體結(jié)構(gòu)設(shè)計中，設(shè)計師可以結(jié)合設(shè)計需求對空間進(jìn)行自由分割。在針對三角形或人字型的民用建筑進(jìn)行平面設(shè)置時，大多采用方形或者圓形的設(shè)計形式。在實際設(shè)計的過程中，為提高簡體結(jié)構(gòu)的空間整體性，通常會在建筑結(jié)構(gòu)頂部設(shè)置多層剛性環(huán)梁，以此保證設(shè)計方案的科學(xué)合理性[2]。

2.4 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計

剪力墻結(jié)構(gòu)同時發(fā)揮承受荷載和分割空間的雙重作用，所以在針對剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計是，要賦予其較強的整體性和抗震性，使其具備較大的剛度。在民用建筑領(lǐng)域內(nèi)，剪力墻結(jié)構(gòu)擁有非常廣泛的適用范圍，可同時適用于多層、高層民用建筑。但是，剪力墻結(jié)構(gòu)也存一些設(shè)計上的弊端問題，比如容易受到剪力墻間距的影響。在這種情況下，一旦設(shè)計方案不合理，會導(dǎo)致平面空間布置受到一定的限制；而且剪力墻結(jié)構(gòu)靈活性相對較差，如果房屋業(yè)主想要改變空間布置方式，則存在一定的難度與限制。

3 民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化對策

3.1 加強建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計深度

當(dāng)代民用建筑設(shè)計師，要本著與時俱進(jìn)的發(fā)展觀，及時更新設(shè)計理念，學(xué)習(xí)先進(jìn)科學(xué)的設(shè)計方法，本著較強的責(zé)任意識、質(zhì)量意識、安全意識與創(chuàng)新意識探索設(shè)計思路，把握設(shè)計方向。在實際設(shè)計中，要全面掌握工程測量數(shù)據(jù)和重要參數(shù)，針對數(shù)據(jù)計算結(jié)果、設(shè)計方案的科學(xué)合理性、可行性與安全可靠性進(jìn)行反復(fù)驗證。在不斷提高自身設(shè)計水平、積極豐富設(shè)計經(jīng)驗的同時，在設(shè)計方案當(dāng)中注重體現(xiàn)自身設(shè)計理念與設(shè)計意圖，賦予于建筑結(jié)構(gòu)較強的設(shè)計深度[3]。

3.2 民用建筑模型的優(yōu)化設(shè)計

現(xiàn)代民用建筑工程往往具有體量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能性強等特點。因為，為了確保建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的科學(xué)合理性與節(jié)能性，很多建筑設(shè)計師都會借助BIM 技術(shù)、依據(jù)工程實際情況構(gòu)建建筑模型。之后，便可以圍繞此模型展開優(yōu)化設(shè)計。在此類設(shè)計中，除了針對建筑房屋基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計以外，還可以針對屋蓋系統(tǒng)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)和房屋結(jié)構(gòu)當(dāng)中的細(xì)節(jié)之處進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計。在有效控制房屋造價的基礎(chǔ)上，使受力結(jié)構(gòu)、選型、布置方面具備科學(xué)合理性，力爭實現(xiàn)民用建筑經(jīng)濟(jì)效益最大化。另外，在設(shè)計過程中，還存在以下要點，需要設(shè)計師給予關(guān)注：①優(yōu)先采用平面布置方法，這方式可以更加合理地控制剛度與質(zhì)量中心之間的差距，確保水平荷載與建筑物扭轉(zhuǎn)作用力達(dá)到最佳狀態(tài)；②在豎直方向要避免出現(xiàn)轉(zhuǎn)換層，以免對應(yīng)力水平造成不良影響；③在設(shè)計過程中，要全面關(guān)注強度、應(yīng)力、尺寸、裂縫寬度這些約束條件，確保各項設(shè)計參數(shù)均符合建筑行業(yè)規(guī)范要求，為建筑物的整體使用性能提供可靠保障[4]。

3.3 建筑結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化設(shè)計

在民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，最關(guān)鍵的一點也是最大的難點問題就是確保建筑物具有較強的抗震性能。因此，建議所有高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計從業(yè)人員從提高建筑抗震性這一角度著手，開展以下優(yōu)化設(shè)計：①針對異形截面柱進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。在民用建筑截面柱設(shè)計中，除了常規(guī)的矩形柱以外，又涌現(xiàn)出多種異形截面柱設(shè)計需求，例如圓形柱、三角形柱等。這些展異形截面柱雖然可以滿足個性化設(shè)計需求，但在載重能力方面需要設(shè)計師給予優(yōu)化設(shè)計[5]。在滿足民用建筑安全規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)個性化與差異化設(shè)計。但是，對于矩形柱而言，將其運用到框架結(jié)構(gòu)柱當(dāng)中，存在諸多注意事項。比如當(dāng)高層建筑物的層數(shù)達(dá)到上限值時，則需要適當(dāng)加大矩形柱的截面尺寸，使其承重性能獲得提升。在有些高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案當(dāng)中，還采用異形柱與矩形柱相結(jié)合的方式消除建筑樓層數(shù)方面的限制，從而達(dá)到安全設(shè)計與優(yōu)化設(shè)計的目的；②在受力方面，鋼結(jié)構(gòu)與其他建筑結(jié)構(gòu)形式相比較而言，表現(xiàn)更好的抗壓強度，可以抵御永久變形和結(jié)構(gòu)斷裂等現(xiàn)象的發(fā)生。因此，在民用建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計中，鋼結(jié)構(gòu)更加適合用于大開間布局，建筑設(shè)計師也擁有更大的設(shè)計余地，從而設(shè)計方案的科學(xué)合理性獲得保障[6]；③在針對民用建筑地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計時，需要設(shè)計師根據(jù)施工場地土壤性質(zhì)、地下水文等實際選用適合的設(shè)計方法。如果遇到軟土地基，需要在多種地基加固方法當(dāng)中進(jìn)行合理選擇，確保地基結(jié)構(gòu)的壓實度、整體抗壓強度符合工程建設(shè)要求；同樣要優(yōu)先考慮鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行地基結(jié)構(gòu)設(shè)計，確保地基具備較強的安全穩(wěn)定性。必要時，要同時設(shè)計出多款方案，召集工程技術(shù)人員、施工團(tuán)隊和監(jiān)理工程師進(jìn)行方案比選，確保將最佳方案應(yīng)用于建筑施工當(dāng)中。

3.4 建筑結(jié)構(gòu)安全的優(yōu)化設(shè)計

在建筑結(jié)構(gòu)安全設(shè)計方面，需要針對各類質(zhì)量通病給予高度關(guān)注，例如混凝土結(jié)構(gòu)裂縫、墻體漏洞、地基不均勻沉降等等。對此，需要建筑設(shè)計師本著較強的責(zé)任意識開展設(shè)計工作，在各項技術(shù)參數(shù)方面嚴(yán)格落實國家及建筑行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，引進(jìn)各種新型建筑施工材料與新型施工藝，明確每一道工序的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，將設(shè)計方案打造成施工質(zhì)量的重要保障。只有這樣，才能確保民用建筑結(jié)構(gòu)的使用壽命和使用安全，實現(xiàn)真正意義上的優(yōu)化設(shè)計[7]。

4 結(jié)語

伴隨我國民用建筑工程體量和施工難度的不斷加大，民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計面臨更高的設(shè)計要求與質(zhì)量要求。以此，全體民用建筑設(shè)計師要盡快更新完善自身設(shè)理念，主動學(xué)習(xí)先進(jìn)的設(shè)計方法，借鑒其他工程的成功設(shè)計經(jīng)驗，拓展自身的設(shè)計思維。只有這樣，才能設(shè)計出兼具安全性、耐久性、美觀性、經(jīng)濟(jì)性等多項優(yōu)勢特點的優(yōu)秀方案，為工程建設(shè)質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益和使用安全提供全面保障。