建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用探討

朱海燕

（廣東省環(huán)境保護(hù)工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，廣州510030）

1 引言

新時(shí)期下，建筑行業(yè)迅速發(fā)展，以可持續(xù)發(fā)展理念為支撐，以節(jié)能降耗為建筑發(fā)展的主流方向，建筑企業(yè)也開始重視建筑的綠色發(fā)展。在現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員需要積極引入優(yōu)化技術(shù)，并對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，明確建筑工程的設(shè)計(jì)目標(biāo)，以可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法來(lái)促進(jìn)設(shè)計(jì)目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)[1]。

2 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的作用

1）能夠切實(shí)保障建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。建筑工程項(xiàng)目在不同的情況下有著不同的功能，而不同的功能對(duì)建筑結(jié)構(gòu)形式也有著不同的要求，應(yīng)該結(jié)合建筑本身的功能來(lái)對(duì)其結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行確定。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化主要是著眼于建筑的功能，通過相應(yīng)的計(jì)算分析，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)傳力，調(diào)整結(jié)構(gòu)的剛度和承載能力，以此來(lái)保證結(jié)構(gòu)體系的安全性和可靠性[2]。

2）可以優(yōu)化建筑的功能性。建筑功能與結(jié)構(gòu)布置存在密切關(guān)聯(lián)，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，能夠有效地提升構(gòu)件的性能，從而更好地滿足建筑的功能性需求。

3）能夠降低建筑的成本。建筑工程施工建設(shè)需要投入大量的資金，通過對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，能夠充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。但從目前來(lái)看，不少業(yè)主為了趕工期，往往會(huì)對(duì)建筑設(shè)計(jì)的期限進(jìn)行嚴(yán)格的限制，在時(shí)間緊迫的情況下，設(shè)計(jì)人員很難保證設(shè)計(jì)的精細(xì)化，會(huì)導(dǎo)致部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺乏合理性和經(jīng)濟(jì)性。為了能夠達(dá)到降低成本的目的，在鋼筋及其他相關(guān)材料的配置環(huán)節(jié)，通常會(huì)采用相關(guān)規(guī)范的最低限制，直接影響結(jié)構(gòu)整體的安全性。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員的角度出發(fā)，必須借助先進(jìn)的結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)方法，做好建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化和調(diào)整，在保證安全、適用的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理和施工便捷的目的。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅可以節(jié)約成本，還可以通過優(yōu)化設(shè)計(jì)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的安全性、穩(wěn)定性以及經(jīng)濟(jì)性。

3 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用

3.1 做好前期結(jié)構(gòu)優(yōu)化

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須與建筑整體設(shè)計(jì)充分協(xié)調(diào)，在對(duì)建筑設(shè)計(jì)方案進(jìn)行確定的過程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員需要高度重視概念設(shè)計(jì)，從實(shí)際情況出發(fā)，提出對(duì)建筑功能的要求和建議，如平面布置、結(jié)構(gòu)布局、立面造型等，將建筑的高度、體量以及復(fù)雜程度等控制在相對(duì)合理的范圍內(nèi)，避免盲目追求新穎而忽視建筑結(jié)構(gòu)的安全[3]。例如，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化中，需要考慮結(jié)構(gòu)整體的抗震性能，組織專家進(jìn)行論證，確保在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化后，建筑的抗震性能可以很好地滿足相關(guān)規(guī)范要求，保障建筑安全使用。

3.2 重視結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化

1）應(yīng)該著眼于建筑本身的使用功能和高度，確定最為合理的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)體系。例如，相比異形柱框架體系，普通的框架體系用鋼量較低；相比短肢剪力墻，普通剪力墻的用鋼量較低，在條件允許的情況下，從節(jié)約成本的角度出發(fā)，應(yīng)該盡量選擇用鋼量較低的結(jié)構(gòu)。

2）應(yīng)該采用比較規(guī)則的平面和立面方案。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，存在平面不規(guī)則和豎向不規(guī)則的情況，需要設(shè)計(jì)人員結(jié)合建筑功能，對(duì)平面的長(zhǎng)寬比和立面的高寬比進(jìn)行控制，盡可能保證建筑質(zhì)量中心與結(jié)構(gòu)中心重合。在豎向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)該避免有較大的外挑或者內(nèi)收，規(guī)避薄弱層以及轉(zhuǎn)換層等不利因素，這樣才能更好地保證結(jié)構(gòu)水平抗剪承載力以及側(cè)向剛度的均勻分布[4]。

3）應(yīng)該對(duì)照建筑工程的實(shí)際情況，依照相關(guān)經(jīng)驗(yàn)來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行布置。在確定柱網(wǎng)結(jié)構(gòu)的過程中，必須強(qiáng)調(diào)其跨度合理均勻，保證結(jié)構(gòu)受力的合理性。以住宅小開間結(jié)構(gòu)為例，此結(jié)構(gòu)會(huì)影響電梯井筒分隔墻以及柱墻本身作用的合理發(fā)揮，結(jié)構(gòu)剛度較差，在受到較大的振動(dòng)時(shí)，很容易倒塌。對(duì)此，應(yīng)該采用大開間結(jié)構(gòu)進(jìn)行分離，在規(guī)避上述問題的同時(shí)，也可以有效節(jié)約成本。

4）應(yīng)該控制好樓蓋剛度。在建筑結(jié)構(gòu)體系和布局優(yōu)化設(shè)計(jì)中，需要確定好最佳的梁板截面尺寸，確保其布設(shè)合理，對(duì)樓蓋結(jié)構(gòu)的剛度進(jìn)行合理控制。因?yàn)槿绻萆w結(jié)構(gòu)剛度過大，會(huì)導(dǎo)致梁板截面增大以及建筑自重增加，在影響建筑正常使用的同時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致建筑成本增加；如果屋蓋結(jié)構(gòu)剛度過小，則梁板容易產(chǎn)生較大的變形，影響結(jié)構(gòu)美觀性，也可能造成填充墻或者裝修材料的損壞。

5）應(yīng)該對(duì)剪力墻進(jìn)行合理布置。剪力墻是建筑結(jié)構(gòu)中最重要的構(gòu)件之一，也是剛度最大的結(jié)構(gòu)，有很大的優(yōu)化空間。設(shè)計(jì)人員在對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)布置的過程中，應(yīng)該強(qiáng)調(diào)其均勻性和對(duì)稱性，控制好結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)變形效應(yīng)，并且對(duì)剪力墻洞口進(jìn)行規(guī)范化處理，防止出現(xiàn)疊合錯(cuò)洞墻的情況。對(duì)照相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果和建筑規(guī)范，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)該盡可能地對(duì)剪力墻的數(shù)量進(jìn)行控制，確保各個(gè)墻肢的長(zhǎng)度基本相等，這樣能夠避免單片墻之間強(qiáng)度懸殊的問題，有助于連梁剛度及延性的提高。同時(shí)，在對(duì)剪力墻進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化的過程中，如果其能夠落地，可以不設(shè)置框支轉(zhuǎn)換層，采用大開間的平面布置，對(duì)照構(gòu)造、軸壓比等對(duì)墻體的厚度進(jìn)行控制。在建筑結(jié)構(gòu)中，剪力墻可作為整體剛度的提供者，通過墻身數(shù)量的調(diào)節(jié)，能夠?qū)偠冗M(jìn)行確定，而借助結(jié)構(gòu)內(nèi)部剛度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)外部荷載的有效傳遞，從建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員的角度看，需要明確荷載和剛度之間的關(guān)系[5]。

3.3 做好計(jì)算分析優(yōu)化

結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析可以采用手工計(jì)算，也可以借助計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行計(jì)算。對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行相應(yīng)的量化和驗(yàn)證，要求設(shè)計(jì)人員在選擇計(jì)算模型，設(shè)置邊界條件時(shí)，能夠充分考慮結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況。結(jié)構(gòu)整體計(jì)算的部分指標(biāo)能夠反映建筑結(jié)構(gòu)的合理性。在國(guó)家相關(guān)規(guī)范中，能夠用于結(jié)構(gòu)整體控制的指標(biāo)包括周期比、剛度比、位移比以及剪重比等。設(shè)計(jì)人員需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行反復(fù)計(jì)算，確保指標(biāo)數(shù)據(jù)滿足規(guī)范要求，才能保證結(jié)構(gòu)性能的合理性。

3.4 地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)優(yōu)化

在建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的過程中，需要對(duì)照施工現(xiàn)場(chǎng)的巖土勘察資料，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的類型、現(xiàn)場(chǎng)施工條件等進(jìn)行綜合考量，做好多個(gè)方案，選擇能夠滿足安全性、適用性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性等要求的基礎(chǔ)方案。另外，在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，如果條件允許，應(yīng)該做好上部結(jié)構(gòu)和地基基礎(chǔ)整體的剛度協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，將土層所具備的承載力充分發(fā)揮出來(lái)。

4 結(jié)語(yǔ)

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化能夠在保障建筑結(jié)構(gòu)本身穩(wěn)定性、耐久性和功能性的基礎(chǔ)上，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理布置，將材料性能充分發(fā)揮出來(lái)，保障建筑的整體質(zhì)量，并對(duì)成本進(jìn)行控制。在新的發(fā)展環(huán)境下，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化是一個(gè)必然的趨勢(shì)，也是實(shí)施建筑精細(xì)化設(shè)計(jì)的途徑，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員需要不斷提高自身的責(zé)任意識(shí)，做好精細(xì)化設(shè)計(jì)，提升建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)效果。