建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的優(yōu)化措施研究

張雪鵬

（山西省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，山西太原 030013）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，如今，人們的經(jīng)濟(jì)條件、生活質(zhì)量與生活水平得到明顯的提高，從而對(duì)生活環(huán)境也提出更高的要求。基于時(shí)代進(jìn)步及社會(huì)發(fā)展要求，如今房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，往往會(huì)在確保質(zhì)量、安全的基礎(chǔ)上，開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)降低成本、節(jié)能減排及提高建筑物使用功能的目標(biāo)[1-9]。

1 房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

1.1 建筑結(jié)構(gòu)模型的優(yōu)化

在對(duì)建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，首先應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化處理。結(jié)構(gòu)模型優(yōu)化，可從變量、計(jì)算函數(shù)和邊界約束條件等方面進(jìn)行優(yōu)化。在建立結(jié)構(gòu)模型時(shí)，應(yīng)首先從模型變量開始優(yōu)化處理。結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，分析模型變量對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響因素，并對(duì)這些因素進(jìn)行分析，最終在結(jié)構(gòu)模型中逐一體現(xiàn)。模型變量會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造成較大影響，因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)各種單一或復(fù)合因素進(jìn)行綜合考衡，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足國(guó)家現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范和實(shí)際需求。除此之外，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，將各種設(shè)計(jì)元素融入結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程中，可有效降低結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員的工作量，一定程度上提高設(shè)計(jì)人員的工作效率。

1.2 建筑主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)首先從安全角度出發(fā)，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量進(jìn)行保證，確保建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化后處于安全、穩(wěn)定的狀態(tài)。基于上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化理念，結(jié)構(gòu)優(yōu)化的原則是減少建筑用鋼量、減少承重結(jié)構(gòu)材料用量，但結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和承載能力不受影響。建筑物的主體結(jié)構(gòu)是主要承重結(jié)構(gòu)，通過(guò)提高主體結(jié)構(gòu)的承載能力，實(shí)現(xiàn)建筑物抵抗外部環(huán)境的變化，如在地震力和風(fēng)荷載等水平荷載作用下，建筑物不會(huì)因此而發(fā)生傾斜或倒塌等。如對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)，應(yīng)主要對(duì)剪力墻體構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保剪力墻構(gòu)件的質(zhì)量均勻，分布規(guī)則，重心和形心的基本重合，外觀的規(guī)則，從而實(shí)現(xiàn)剪力墻結(jié)構(gòu)的受力均勻和抵抗荷載變形的能力。在設(shè)計(jì)時(shí)，可通過(guò)縮短剪力墻構(gòu)件的長(zhǎng)度、相對(duì)增加剪力墻構(gòu)件數(shù)量等手段，減少用鋼量，實(shí)現(xiàn)剪力墻結(jié)構(gòu)的承載能力和穩(wěn)定性。剪力墻構(gòu)件中往往因構(gòu)造和承載的要求，需設(shè)置水平受力鋼筋和縱向分布鋼筋，確保剪力墻構(gòu)件承受足夠的水平荷載和豎向荷載。因此在對(duì)剪力墻構(gòu)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)，應(yīng)在滿足正常承載的前提下，減少鋼筋用量，實(shí)現(xiàn)節(jié)約鋼材的目的。

1.3 房屋建筑細(xì)節(jié)的優(yōu)化

隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，建筑行業(yè)也在蓬勃發(fā)展，但其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也日趨白熱化，現(xiàn)階段諸多企業(yè)在細(xì)節(jié)方面入手，來(lái)提高建筑物的質(zhì)量及美觀性，從而吸引消費(fèi)者的青睞。基于此，房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，開展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的時(shí)候，也要注意對(duì)細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)客戶要求，對(duì)房屋建筑的部分細(xì)節(jié)問(wèn)題實(shí)施優(yōu)化、精細(xì)化處理。例如，在空調(diào)板設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)客戶使用需求來(lái)開展設(shè)計(jì)，確保設(shè)計(jì)的空調(diào)板可以為空調(diào)安裝、維修等提供便利條件，并要保障其可以滿足建筑安全性能的要求。再如，在陽(yáng)臺(tái)設(shè)計(jì)中，也要考慮客戶需求來(lái)開展設(shè)計(jì)，若是居住人員較多、成分復(fù)雜，則要考慮幼童安全，將陽(yáng)臺(tái)高度設(shè)計(jì)為1.2m。房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，還有很多小細(xì)節(jié)，設(shè)計(jì)師應(yīng)對(duì)這些細(xì)節(jié)問(wèn)題進(jìn)行充分考慮，為客戶提供更多的便利。房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師也要充分考慮當(dāng)?shù)貙?shí)際情況來(lái)開展設(shè)計(jì)，適當(dāng)采取一些節(jié)能設(shè)計(jì)措施，如考慮當(dāng)?shù)貧夂?、天氣條件，對(duì)臥室的光照條件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以減少照明時(shí)間，降低電能消耗。

1.4 排水管道系統(tǒng)的優(yōu)化

房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化進(jìn)行應(yīng)用的時(shí)候，還可以對(duì)排水管道系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)是房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要組成部分，其復(fù)雜程度較高，應(yīng)充分考慮實(shí)際情況來(lái)開展設(shè)計(jì)。特別是穿墻管道設(shè)計(jì)中，應(yīng)以便于施工為原則，提前預(yù)留管道碰撞檢測(cè)的空間，并做好預(yù)埋空洞的標(biāo)記，以便于施工方在施工的時(shí)候可以提前預(yù)埋孔洞，避免返工問(wèn)題的出現(xiàn)。對(duì)于需穿過(guò)承重墻的排水管道，應(yīng)做好對(duì)周圍的加固處理，保證承重墻的穩(wěn)定性。排水管道優(yōu)化設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮施工方面的問(wèn)題，避免管道繞柱問(wèn)題的出現(xiàn)。隨著科技的進(jìn)步，BIM 技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。排水管道優(yōu)化設(shè)計(jì)中，也可以應(yīng)用BIM 技術(shù)，來(lái)開展碰撞檢測(cè)，確保排水管道、建筑物的協(xié)調(diào)性，提高排水管道優(yōu)化設(shè)計(jì)質(zhì)量。

2 房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的關(guān)鍵點(diǎn)

2.1 設(shè)計(jì)理念優(yōu)化

在對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)首先對(duì)設(shè)計(jì)理念進(jìn)行優(yōu)化。設(shè)計(jì)理念貫穿設(shè)計(jì)人員的所有設(shè)計(jì)作品中，設(shè)計(jì)理念的優(yōu)化是所有優(yōu)化設(shè)計(jì)的前提和關(guān)鍵點(diǎn)之一。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，不應(yīng)對(duì)建筑的使用功能有影響，應(yīng)與原建筑設(shè)計(jì)理念和功能保持一致。如結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化后，會(huì)縮短剪力墻構(gòu)件的長(zhǎng)度、增加剪力墻構(gòu)件的數(shù)量，可能會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的可靠性產(chǎn)生一定的影響，因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)前，應(yīng)對(duì)優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的可靠性進(jìn)行分析，確保結(jié)構(gòu)可靠性不受影響。為確保結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)的工作效率得到有效提高，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，可使用拉氏乘子法對(duì)優(yōu)化的因素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和相應(yīng)轉(zhuǎn)化，將對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的干擾性約束因素轉(zhuǎn)化為非約束因素。除此之外，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，還需對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行重新驗(yàn)算，確保結(jié)構(gòu)滿足正常承載能力和抗震承載能力的要求。若優(yōu)化后的模型驗(yàn)算結(jié)果不滿足國(guó)家現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范的要求，可通過(guò)逐步調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)和構(gòu)件的尺寸及位置實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件滿足承載力要求。

2.2 選擇最優(yōu)方法

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)前，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，提出多項(xiàng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，最終根據(jù)實(shí)際情況和建設(shè)方要求選擇最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。在滿足承載力要求的前提下，實(shí)現(xiàn)施工便捷，建筑的美觀、使用和安全不受影響。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員會(huì)根據(jù)影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的多種因素進(jìn)行選擇和調(diào)整，結(jié)合大量的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算，求得最終最優(yōu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。通過(guò)大量的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和科學(xué)合理的設(shè)計(jì)理念，使優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)各項(xiàng)性能均滿足要求。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員首先結(jié)合原有建筑設(shè)計(jì)理念，選用最佳計(jì)算參數(shù)，去除無(wú)效或其他干擾因素，快捷、高效地取得計(jì)算結(jié)果，完成優(yōu)化設(shè)計(jì)的前期工作，提高設(shè)計(jì)效率，減少設(shè)計(jì)工期。

2.3 結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)

房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的時(shí)候，應(yīng)高度重視建筑結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)方面的問(wèn)題進(jìn)。房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在對(duì)建筑結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行優(yōu)化的時(shí)候，可以從確定約束條件、計(jì)算函數(shù)、選擇變量三個(gè)方面開展：①確定約束條件。設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮工程建造目的、工程預(yù)算、施工要求等因素，對(duì)施工條件進(jìn)行衡量與判斷，明確需要遵守的條件，確保房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合工程實(shí)際需求。一般情況下，需要對(duì)結(jié)構(gòu)的剛性、結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、房屋的尺寸與比例等條件進(jìn)行考慮；②計(jì)算函數(shù)的合理選擇。房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中，通常要對(duì)房屋橫截面、鋼筋的尺寸等數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定，并將這些數(shù)據(jù)帶入到選定函數(shù)中去，應(yīng)用這些函數(shù)進(jìn)行運(yùn)算、分析。對(duì)計(jì)算函數(shù)進(jìn)行合理選擇，從而獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，是減少成本浪費(fèi)、降低工程成本、減少工程量的重要前提；③變量的選擇。對(duì)于房屋建筑來(lái)說(shuō)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，往往會(huì)涉及大量數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)師通過(guò)收集、利用這些數(shù)據(jù)，來(lái)供定稿參考，一些數(shù)據(jù)可能是定稿的關(guān)鍵。房屋建筑工程項(xiàng)目的所有相關(guān)數(shù)據(jù)，均有可能給設(shè)計(jì)造成影響，選擇合適的數(shù)據(jù)，可以幫助設(shè)計(jì)師減少負(fù)擔(dān)，提高工作效率?；谶@樣的原因，應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)變量進(jìn)行合理選擇，以降低設(shè)計(jì)師的工作難度，提高房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性、合理性。

3 結(jié)語(yǔ)

在對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)首先從建筑的模型開始，隨后對(duì)結(jié)構(gòu)的主體、建筑和水暖電等專業(yè)進(jìn)行對(duì)接，在不改變?cè)ㄖO(shè)計(jì)理念的前提下，以最高效、最經(jīng)濟(jì)和安全的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，提高建筑結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)質(zhì)量。除此之外，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)結(jié)合當(dāng)下較為流行的BIM 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)施工圖的可視化和模擬化，避免各專業(yè)間的無(wú)形碰撞，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平。最終將建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為堅(jiān)固、耐久、經(jīng)濟(jì)的商品，同時(shí)也可為住戶或用戶提供舒適的居住或生活的環(huán)境。