房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法應(yīng)用研究

高志峰

廣州承總設(shè)計(jì)院，廣東 廣州 510000

1 房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的應(yīng)用

1.1 結(jié)構(gòu)平面布置優(yōu)化

在房屋結(jié)構(gòu)平面布置優(yōu)化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，首先，做好原始數(shù)據(jù)分析工作，構(gòu)建建筑模型，在模型中導(dǎo)入構(gòu)件初選與結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行電算處理，獲取質(zhì)心、偏心率、剛度均勻性、剛重比、剪重比、水平力作用下各樓層側(cè)移情況等原始數(shù)據(jù)。判斷房屋結(jié)構(gòu)整體狀況，重點(diǎn)檢查結(jié)構(gòu)方案中是否存在豎向布置不合理、結(jié)構(gòu)選型不合理、材料使用不當(dāng)、荷載輸入異常、局部超筋等設(shè)計(jì)問題，在此基礎(chǔ)上確定房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化思路。

其次，根據(jù)已掌握的原始數(shù)據(jù)資料，從結(jié)構(gòu)自身特性指標(biāo)、設(shè)計(jì)缺陷、荷載效應(yīng)指標(biāo)三方面進(jìn)行綜合分析，深入分析初步設(shè)計(jì)方案中存在的問題。例如，在某房屋建筑工程中，通過設(shè)計(jì)平面分析得知，平面結(jié)構(gòu)中所布置的一字形剪力墻與L形剪力墻的剪力剛度較低，沒有表現(xiàn)出應(yīng)有的抗震性能與抗扭能力，且相鄰剪力墻體的間隔距離過遠(yuǎn)，平面結(jié)構(gòu)的協(xié)同性能不足。為此，選擇在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案中對剪力墻形狀、擺放方式、間隔距離、分布位置進(jìn)行調(diào)整，將L形剪力墻倒過來放置，對各片剪力墻采取加強(qiáng)連接措施，以此提高房屋結(jié)構(gòu)的抗扭剛度。

最后，開展模擬預(yù)演試驗(yàn)，在房屋結(jié)構(gòu)一次布置方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行模擬施工，評估不同工況條件下的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，對比偏心率、剛度均勻性、震中扭轉(zhuǎn)系數(shù)、剪重比等數(shù)據(jù)指標(biāo)，判斷結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果是否達(dá)到預(yù)期，必要情況下對房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行二次優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)成與構(gòu)件優(yōu)化

首先，在確定房屋建筑結(jié)構(gòu)整體優(yōu)化設(shè)計(jì)方案后，即可對結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)部位進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及判斷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案是否具備進(jìn)一步優(yōu)化的可行性。結(jié)構(gòu)構(gòu)成優(yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)容包括樓蓋體系優(yōu)化、墻體調(diào)整和梁截面調(diào)整。例如，在樓蓋體系優(yōu)化環(huán)節(jié)，可以在不影響房屋整體結(jié)構(gòu)豎向剛度均勻性與各樓層抗剪承載比值的前提下，變更樓蓋結(jié)構(gòu)形式，或是對樓蓋結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行調(diào)整，再對調(diào)整后的剛重比、周期比、位移比、側(cè)向剛度比等指標(biāo)進(jìn)行評估驗(yàn)證。例如，在某房屋建筑工程中，選擇取消地上2、3層井字梁結(jié)構(gòu)與地上13層的密梁樓蓋，將其變更為全體梁板式與普通梁樓蓋。經(jīng)過優(yōu)化評估驗(yàn)證，樓蓋體系的橫縱向剛重比由4.39與3.61變更為4.51與3.72，層間位移比與扭轉(zhuǎn)位移比不變，最大位移角由縱向偶然偏心地震作用下的第9層1/1203變更為第8層1/1215，樓蓋結(jié)構(gòu)的混凝土與鋼筋用量有所減少，達(dá)到房屋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)要求。

其次，對房屋結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。對于地下室外墻，嚴(yán)格遵循《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》（GB 50108—2008），如果墻體保護(hù)層厚度超過50mm，則在墻體內(nèi)設(shè)置鋼筋網(wǎng)作為墻筋，禁止在墻體上形成裂縫；當(dāng)墻體保護(hù)層厚度在30mm左右時(shí)，按最小構(gòu)造方式設(shè)置拉筋，要求墻體上不得形成寬深度超過0.2mm的裂縫。針對梁構(gòu)件，應(yīng)在梁體兩側(cè)沿高度甚至縱向構(gòu)造鋼筋，對梁高度寬度進(jìn)行調(diào)整，并在梁下部設(shè)置箍筋，將配筋率控制在1.5%左右。針對樓板構(gòu)件，基于彈性理論驗(yàn)算雙向板的厚度值與配筋條件，將板中抗裂鋼筋的最小配筋率設(shè)定在0.1%。針對房屋結(jié)構(gòu)中的核心抗側(cè)力構(gòu)件，將構(gòu)件剛度保持為均勻狀態(tài)，禁止在局部結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)剛度過度集中的問題。例如，在房屋結(jié)構(gòu)中設(shè)置較長的實(shí)體剪力墻時(shí)，雖然這類墻體具有充足的剛度，但在承受結(jié)構(gòu)輸入的地震能量時(shí)，實(shí)體剪力墻會吸收過量的地震能量，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，容易率先被破壞。

1.3 地下室結(jié)構(gòu)布置優(yōu)化

在地下室結(jié)構(gòu)布置優(yōu)化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，首先，對底板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，可選擇采取帶承臺柱帽無梁筏板底板結(jié)構(gòu)形式，這類底板適合于各種柱下樁基礎(chǔ)的大底盤地下室，具有顯著的抗浮性能與明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的梁板式筏基底板與平板式筏基相比，這一底板結(jié)構(gòu)基于無梁樓蓋計(jì)算原理，憑借樁承臺大柱帽，可以明顯減小無梁筏板主控內(nèi)力、柱上板帶承臺邊筏板的支座彎矩，柱基承臺柱帽的承載性能與剛度作用得到充分發(fā)揮。

其次，在地下室樓蓋設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，使用加腋梁板與密肋樓蓋來取代主次梁樓蓋，地下室結(jié)構(gòu)所承受的上部荷載經(jīng)由樓板傳遞至次梁，次梁采取集中力方式向下傳遞至框架梁，由框架梁跨中節(jié)點(diǎn)起到受力作用。與之相比，加腋大板框架梁體系可以有效解決傳統(tǒng)樓蓋體系中次梁板跨劃分過小與配筋承載力未得到全部發(fā)揮的問題。

最后，對地下室抗浮設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，組合采取增加壓重、增加拉力、降水抗浮、局部抗浮、拉壓并舉的設(shè)計(jì)措施。以增加壓重措施為例，憑借建筑物自重平衡水浮力，多用于建筑物自重與水浮力差值較小的建筑工程，通過調(diào)整基礎(chǔ)底板厚度、使底板向外延伸、提高覆土厚度的方式增加配重。此外，在建筑自重與水浮力差值過大時(shí)，如果采取增加壓重措施，不但無法取得預(yù)期的抗浮效果，還會使建筑物笨重粗糙，大幅增加工程造價(jià)，缺乏經(jīng)濟(jì)適用性。

1.4 優(yōu)化結(jié)果分析

為了驗(yàn)證房屋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)效果，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，在模型中導(dǎo)入結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，準(zhǔn)確描述房屋結(jié)構(gòu)的整體性能狀態(tài)與周期比、剪重比、受剪承載力均勻性等結(jié)構(gòu)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)，從性能指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、工期要求、結(jié)構(gòu)功能發(fā)揮等多個(gè)維度進(jìn)行對比分析，依次考慮設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)特性、結(jié)構(gòu)效應(yīng)與經(jīng)濟(jì)性四個(gè)方面，在分析結(jié)果上，從多套結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案中選擇最為適宜的方案。

2 房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化存在的問題與挑戰(zhàn)

2.1 房屋建筑工程行業(yè)本身的問題

在部分房屋建筑工程中，存在著諸多行業(yè)問題有待解決，限制了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水準(zhǔn)的進(jìn)一步提高。例如，部分企業(yè)與設(shè)計(jì)人員雖然將相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范作為主要依據(jù)，但卻沒有深入了解房屋結(jié)構(gòu)功能使用需求與結(jié)構(gòu)合理性，在不必要的情況下采取肥梁、深基礎(chǔ)、胖柱等優(yōu)化設(shè)計(jì)措施，導(dǎo)致房屋結(jié)構(gòu)延性不足，在遭受地震能量沖擊時(shí)易出現(xiàn)脆性破壞現(xiàn)象。同時(shí)，不同房屋建筑工程的設(shè)計(jì)要求、造價(jià)存在差異性，由于缺乏統(tǒng)一的優(yōu)化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，致使所采取的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法不盡相同，不具備建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化體系規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展的基礎(chǔ)條件。

為了提高房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水準(zhǔn)，控制結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)質(zhì)量，應(yīng)構(gòu)建統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)，在相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范基礎(chǔ)上進(jìn)行補(bǔ)充完善，明確不同房屋建筑工程類型、不同工況條件下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，如結(jié)構(gòu)中非承重部位與承重部位的構(gòu)件尺寸標(biāo)準(zhǔn)與選材要求、各項(xiàng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的應(yīng)用條件、剪力墻配筋率等，為房屋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的制定提供參考依據(jù)。從結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟的角度來看，依次進(jìn)入構(gòu)件截面初始估算、結(jié)構(gòu)優(yōu)化控制指標(biāo)確定、房屋結(jié)構(gòu)功能性優(yōu)化、結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化選擇、結(jié)構(gòu)總體布置優(yōu)化、優(yōu)化結(jié)果評估步驟。

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)水平與效率的問題

考慮到現(xiàn)代房屋工程的建設(shè)規(guī)模較大，如果仍舊采用傳統(tǒng)手工操作方式，需要開展大量的初始數(shù)據(jù)驗(yàn)算、圖表繪制、管線碰撞檢查等基礎(chǔ)性設(shè)計(jì)工作，設(shè)計(jì)效率與水平較低。為此，建筑企業(yè)可以開展房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的信息化建設(shè)，應(yīng)用一體化計(jì)算機(jī)軟件，替代人工完成圖紙繪制、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)驗(yàn)算等設(shè)計(jì)工作，使設(shè)計(jì)效率得到一定提高。同時(shí)，存在信息化技術(shù)手段應(yīng)用單一與人員專業(yè)素養(yǎng)良莠不齊的難題。

因此，首先，應(yīng)積極引進(jìn)以BIM為主的信息化技術(shù)，持續(xù)拓展信息技術(shù)在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用場景。例如，在節(jié)點(diǎn)碰撞檢查環(huán)節(jié)，將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則導(dǎo)入BIM軟件，可以在短時(shí)間內(nèi)完成節(jié)點(diǎn)碰撞檢查，在碰撞結(jié)構(gòu)與BIM模型中以特殊顏色符號標(biāo)記管線結(jié)構(gòu)碰撞位置，提供碰撞點(diǎn)位數(shù)據(jù)與優(yōu)化數(shù)據(jù)。在協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)方面，設(shè)計(jì)人員可以將機(jī)電、給排水、土建、暖通等專業(yè)圖紙與方案導(dǎo)入BIM模型，由模型對各專業(yè)方案進(jìn)行整合處理，在模型中直觀顯示專業(yè)沖突部位，幫助設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案中的不足，根據(jù)所提供的協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)對方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。其次，應(yīng)加強(qiáng)人員專業(yè)培訓(xùn)力度，要求設(shè)計(jì)人員熟練掌握計(jì)算機(jī)軟件的操作流程，靈活應(yīng)用軟件功能輔助開展房屋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，充分發(fā)揮信息化技術(shù)的優(yōu)勢。設(shè)計(jì)人員應(yīng)具備一定程度的信息化知識，避免出現(xiàn)基本理論知識缺乏的問題。

3 結(jié)束語

在現(xiàn)代房屋建筑工程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法應(yīng)用合理與否，關(guān)乎工程造價(jià)、質(zhì)量、工期進(jìn)度、安全目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。在這一工程背景下，企業(yè)需要全面推行房屋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模式，肯定房屋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的價(jià)值，將增強(qiáng)結(jié)構(gòu)性能與保證建筑使用功能發(fā)揮作為設(shè)計(jì)目的，不斷優(yōu)化改進(jìn)房屋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法與理念，克服結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)期間面臨的阻礙問題。