房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

趙尚

摘? 要：建筑結(jié)構(gòu)體系與經(jīng)濟(jì)、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展均存在緊密的關(guān)聯(lián)。古代建筑結(jié)構(gòu)具有笨重、內(nèi)部使用空間狹小的特點(diǎn)，自19世紀(jì)80年代工業(yè)化改革后，建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部使用空間逐步擴(kuò)大，以鋼材與混凝土材料相結(jié)合的不同類型新型結(jié)構(gòu)體系持續(xù)涌現(xiàn)，開啟了現(xiàn)代工程建筑結(jié)構(gòu)的新歷程。但是，在當(dāng)前建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中仍然存在性能分析不足、外部框架抗剪力與內(nèi)部剛度矛盾顯著等問題，影響了建筑行業(yè)發(fā)展。基于此，探討建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法至關(guān)重要。

關(guān)鍵詞：房屋;結(jié)構(gòu)設(shè)計;優(yōu)化

1探討優(yōu)化房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要性

1.1能夠有效提升建筑材料的利用效率

優(yōu)化房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，不但可以保證房屋建筑質(zhì)量，還可以提高資金的利用率，進(jìn)而實現(xiàn)節(jié)約資金，創(chuàng)造更大經(jīng)濟(jì)效益的目的。從以往的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計案例的統(tǒng)計來看，優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)設(shè)計不一定需要較高價格的材料，往往是那些性價比更高的材料，通過利用率的提高，不但可以滿足建筑結(jié)構(gòu)性能，而且還能夠大大的節(jié)約項目造價。因此，房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計人員在設(shè)計建造方案時，應(yīng)當(dāng)努力提高建筑材料的利用率，以及在結(jié)構(gòu)設(shè)計當(dāng)中加入新材料的應(yīng)用，尤其是近些年應(yīng)用越來越廣泛的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)和鋼管混凝土結(jié)構(gòu)等等，這些材料與其他材料相比優(yōu)勢十分明顯。鋼管混凝土的優(yōu)勢在于可以使建筑結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，在抗壓強(qiáng)度和抗變形能力等方面都表現(xiàn)優(yōu)異。把鋼管框架填充混凝土材料后，混凝土可以將鋼管框架進(jìn)行有效固定，使建筑整體框架結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出三面受壓的理想狀態(tài)，能夠使建筑材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及抗壓強(qiáng)度大大增加。與其他的鋼管結(jié)構(gòu)相比，鋼管混凝土不但可以將本身承載力和自重保持高度一致，還可以節(jié)省下50%的鋼材材料，而且由于施工工藝的變更，可以將原來的焊接工序進(jìn)行簡化，減少了人力的投入之外，還極大的縮短了建設(shè)工期。與其他混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)可以減少構(gòu)建的截面積，節(jié)省大量施工材料的同時，還保障了建筑材料結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。通過優(yōu)化房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計，使用優(yōu)質(zhì)建筑材料，在確保建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量的前提下，提高了材料的利用率，實現(xiàn)降低建筑項目成本的目的。

1.2能夠很好的推動建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性的提升

近年來，隨著城市化的不斷發(fā)展，城市土地逐漸成為稀缺資源，高層建筑層出不窮，建筑高度的不斷提高，使得建筑墻體和承重墩的面積不斷增加，承載力和建筑材料的體積也隨之增大。這進(jìn)一步壓縮了建筑的使用空間。因此，有必要在保證建筑質(zhì)量的同時，不斷優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，盡量減少建筑材料的使用，進(jìn)而降低建筑單層高度。建筑總高度降低后，可增加建筑密度，達(dá)到減少建筑用地和工程投資的目的。建筑結(jié)構(gòu)形式可以設(shè)計成正方形，這種建筑結(jié)構(gòu)可以獲得最小的外周長和相同使用面積的外墻面積，從而降低建筑內(nèi)外表面的裝修成本和基礎(chǔ)裝修成本，也可以大大提高建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性。

2建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化應(yīng)用

2.1開發(fā)設(shè)計模型集成框架

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計模型集成的最終要求是涵蓋建筑全生命周期數(shù)據(jù)信息。比如對于開有門和窗的一段墻體，其對應(yīng)的模型集成框架需要涵蓋門、窗、墻等對象，具體信息為：類型、面積、寬/高、長/高、洞口面積、洞口數(shù)量、高/厚度以及界面屬性、材料、高×寬、受力特性、鋼筋布置等。建筑模型在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計階段處于支配地位，由此產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息可以被結(jié)構(gòu)設(shè)計所提取、集成，為建筑二次建模設(shè)計提供支持。以基于BIM技術(shù)的建筑結(jié)構(gòu)信息模型ASIM為例，可以Auto-desk的Revit、Graphisoft的ArchiCAD為例，可以IFC支撐下的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)模型格式為數(shù)據(jù)對象表達(dá)基礎(chǔ)，容納建筑對象材料、建筑基本繪圖信息、造價信息為依據(jù)，開展完整建筑模型集成框架的構(gòu)建。具體建模流程為：在IFC標(biāo)準(zhǔn)約束下，接入基于DXF設(shè)計軟件、BIM設(shè)計軟件以及建筑規(guī)范，形成包含繪圖、造價、材料的建筑產(chǎn)品模型。進(jìn)而將建筑產(chǎn)品模型中IFC工程文件轉(zhuǎn)化為中心文件，并借助C++編譯器、FORTRAN編譯器、PKPM圖形形式平臺，提取結(jié)構(gòu)信息。提取結(jié)構(gòu)信息后輸入結(jié)構(gòu)產(chǎn)品模型中進(jìn)行分析，形成結(jié)構(gòu)規(guī)范的模型數(shù)據(jù)庫。在結(jié)構(gòu)規(guī)范的模型數(shù)據(jù)庫形成后，可以面向建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程，搭建ASIM集成框架體系。ASIM集成框架體系從縱向來看，ASIM集成框架體系涵蓋了不同設(shè)計階段;從橫向來看，ASIM集成框架涵蓋了不同的體系，可以為設(shè)計者使用相關(guān)軟件、應(yīng)用結(jié)構(gòu)設(shè)計信息提供充足支持，滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化要求。

2.2科學(xué)歸納設(shè)計方案

要想對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化，必須加強(qiáng)對設(shè)計方案的分析和研究，找出設(shè)計方案當(dāng)中存在的問題，以及影響因素等。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的優(yōu)化需要詳細(xì)分析與結(jié)構(gòu)相關(guān)的每個影響因素，例如內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響因素，外部環(huán)境影響因素以及經(jīng)濟(jì)影響因素等，從而對設(shè)計方案進(jìn)行針對性的優(yōu)化調(diào)整，保障設(shè)計方案的科學(xué)性和合理性。對于房屋內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行的優(yōu)化，需要做到盡量簡化，因為越復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，需要校核的受力情況就更復(fù)雜，對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進(jìn)行簡化后，能夠最大限度地保障受力的穩(wěn)定性，進(jìn)而降低建筑施工風(fēng)險，提高建筑完工質(zhì)量。對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案有影響的外部因素比較復(fù)雜，如重力載荷、風(fēng)力載荷以及地震強(qiáng)度等等，因此優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，要從建筑結(jié)構(gòu)的抗變形、抗沉降方面著手，來提高建筑設(shè)計方案的合理性以及建筑安全性。不僅如此，建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化還要提高對原材料質(zhì)量的重視程度，完善的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計還需要高質(zhì)量建筑材料的使用，才能保證建筑結(jié)構(gòu)的整體性，安全性更高、耐久性更強(qiáng)的建筑材料可以有效保障建筑結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度質(zhì)量。

2.3確定初始目標(biāo)、約束條件

在ASIM集成框架體系設(shè)計完畢后，設(shè)計人員可以結(jié)合預(yù)定條件，尋找相應(yīng)尺寸的鋼筋截面面積以及已失效的概率參數(shù)，以便達(dá)成建筑工程整體造價最少要求。同時以保證結(jié)構(gòu)可靠性為初始目標(biāo)，進(jìn)行與優(yōu)化設(shè)計相符的約束條件設(shè)定，比如建筑裂縫寬度約束、尺寸大小約束、建筑本身強(qiáng)度約束、結(jié)構(gòu)體系相關(guān)約束等，逐一對比目標(biāo)性質(zhì)的約束條件、實際性質(zhì)的約束條件，保證每一約束條件與整體建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要求相符。

2.4剪刀墻結(jié)構(gòu)的長度、厚度和延性的設(shè)計

在對建筑結(jié)構(gòu)的剪力墻設(shè)計優(yōu)化過程中，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注剪力墻的厚度數(shù)據(jù)、長度數(shù)據(jù)以及延性設(shè)計。長度和厚度尺寸屬于剪力墻的主要尺寸，對剪力墻的質(zhì)量能夠起到?jīng)Q定性的影響，因此設(shè)計剪力墻時一定要在滿足建筑建設(shè)強(qiáng)度需求的同時，遵守相關(guān)技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的要求。根據(jù)相關(guān)建筑規(guī)范要求，剪力墻的長度和厚度是由建筑物的抗震等級進(jìn)行確定的，建筑物抗震等級的不同，決定了剪力墻長度和厚度的設(shè)計區(qū)別。因此，要想確保建筑物結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定以及抗震效果，剪力墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計厚度不能小于0.2m，厚度和高度數(shù)據(jù)的比例不能大于1/6。當(dāng)剪力墻的長度和厚度比例不滿足要求時，可以替換為T、L型截面形式的剪力墻，其翼緣長度也要適當(dāng)增加。在設(shè)計剪力墻的延性數(shù)據(jù)時，其高度和寬度比例盡量要不大于2，這時剪力墻的延性最佳，可以有效降低剪力墻受到的損傷，當(dāng)高度和寬度比例大于2時，需要將剪力墻局部開洞處理。所以，為了確保建筑物的承載能力，需要高度重視剪力墻的厚度數(shù)據(jù)、長度數(shù)據(jù)和延性數(shù)據(jù)的設(shè)計合理性。為了使剪力墻的穩(wěn)定性和抗震性滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，需要保證剪力墻內(nèi)鋼筋的配置率大于千分之二，且水平和豎直方向配置均勻。

3結(jié)論

隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，高層建筑的需求逐年增加，人們對于建筑結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性也越來越重視，因此，要提高設(shè)計人員的專業(yè)技術(shù)水平，應(yīng)用信息化設(shè)計技術(shù)，不斷對房屋建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，使建筑物的安全性、實用性和美觀性不斷提高，為房屋建筑事業(yè)不斷向前發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

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