房屋建筑結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化技術(shù)應用研究

高雅儒

（深圳市華納國際建筑設計有限公司長沙分公司，湖南長沙 410000）

0 引言

房屋建筑結(jié)構(gòu)設計的質(zhì)量尤為關(guān)鍵，直接關(guān)系著房屋建筑項目的整體安全性。優(yōu)化房屋建筑設計方案時，各類房屋建筑結(jié)構(gòu)功能差異較大，設計人員需結(jié)合房屋建筑結(jié)構(gòu)的實際情況，綜合考慮建筑結(jié)構(gòu)的藝術(shù)性、建筑用料成本、建筑項目實用性等因素，制定合理的優(yōu)化方案，以此減少建材用量，滿足房屋建筑的質(zhì)量要求。為此，研究優(yōu)化技術(shù)的實際用法，以此改善房屋建筑結(jié)構(gòu)性能，具有較高的價值。

1 優(yōu)化技術(shù)用于房屋建筑結(jié)構(gòu)設計的積極作用

1.1 控制施工成本

優(yōu)化房屋建筑結(jié)構(gòu)的各項工作具有較強的成本控制功能。使用優(yōu)化技術(shù)時，可增強建材使用的合理性，避免板材的浪費問題，提高房屋建筑結(jié)構(gòu)整體布局的科學性。使用優(yōu)化技術(shù)時，需制定全面的成本控制方案，以此保證建筑資金的使用效果。

1.2 保證建筑安全

在科技的支持下，國內(nèi)房屋建筑結(jié)構(gòu)的整體設計質(zhì)量穩(wěn)步提高。使用受力分析程序，能夠載入更為全面、更具實用性的建筑資料，以此改善建筑結(jié)構(gòu)的整體性能，使其更具安全性。采取參數(shù)設計房屋建筑結(jié)構(gòu)的形式，可提升前期設計的精準性，減少設計變更次數(shù)，增強建筑成本的控制效果，合理設計建筑外觀結(jié)構(gòu)，切實保證建筑結(jié)構(gòu)的安全[1]。

1.3 提高房屋建筑的附加價值

在采光、采暖等方面，逐一開展房屋建筑結(jié)構(gòu)設計，以此滿足人們的照明、取暖等多種居住需求。然而，多數(shù)項目出售前，未有效控制樓間距，樓層高度設計不適宜，無法保證建筑居住的舒適性，間接降低了項目的使用價值。優(yōu)化技術(shù)的使用，能夠合理設計樓間距，確保樓層高度設計的合理性，切實增強土地資源的利用能力，從采光、取暖、通風等各個方面提高建筑項目的附加價值，創(chuàng)造更多的經(jīng)濟收入。

2 優(yōu)化技術(shù)用于房屋建筑結(jié)構(gòu)的具體表現(xiàn)

2.1 整體優(yōu)化

結(jié)構(gòu)設計效果直接決定房屋建筑的質(zhì)量，設計單位應綜合考慮多方因素，給出合理的設計優(yōu)化方案。整體優(yōu)化方案要求從各個方面、全環(huán)節(jié)視角統(tǒng)籌規(guī)劃各項建筑資源，規(guī)范操作各項工藝，以此保障結(jié)構(gòu)設計質(zhì)量，達到優(yōu)化設計效果。整體優(yōu)化后，加強用料質(zhì)量的控制，對各類部件、各種用料逐一進行質(zhì)量檢查，使其正常發(fā)揮部件功能。設計期間，需關(guān)注各類環(huán)境因素可能帶來的不利影響，加強人力、物資各項資源的分配，積極排查潛在的風險因素，防止養(yǎng)護不到位造成結(jié)構(gòu)病害問題。結(jié)構(gòu)設計期間，應融合簡化設計思想，控制設計偏差，降低施工成本。例如，對某房屋建筑項目進行抗震設計，使其擁有較強的抗震能力，編制相應合規(guī)的抗震方案，增強項目整體結(jié)構(gòu)的承載能力，保證建筑結(jié)構(gòu)設計的簡化效果[2]。

2.2 地基優(yōu)化

在房屋建筑結(jié)構(gòu)的各項設計工作中，地基設計占據(jù)較為關(guān)鍵的地位，設計項目結(jié)構(gòu)時，應明確優(yōu)化地基結(jié)構(gòu)的重要性。設計前期，設計人員應從全環(huán)節(jié)視角全面思考地基結(jié)構(gòu)的性能要求，同步落實地質(zhì)勘查工作，合理分析地質(zhì)性能，綜合測算地質(zhì)結(jié)構(gòu)的受力情況。以結(jié)構(gòu)安全為視角，全面開展項目安全設計工作。項目管理人員應積極承擔自身崗位責任，綜合考量地基結(jié)構(gòu)性能的不利因素，做出相應預案，有效排查地基設計問題。

例如，某單位使用數(shù)值模式方法載入建筑資料，開展地基優(yōu)化設計分析。案例項目的地基管樁內(nèi)徑為0.3 m，外徑為0.4 m，管樁長度為18 m。數(shù)據(jù)模擬時，土體半徑參數(shù)設計為8 m，土體高度參數(shù)取54 m，以此防止出現(xiàn)邊界影響。管樁、樁帽等位置，均參照現(xiàn)場試驗得出參數(shù)。墊層厚度為30 cm，半徑為8m。承壓板內(nèi)徑長度為1.7 m，具體設計如圖1所示。

圖1 案例項目地基管樁的計算模型

對土層資料進行簡化處理，得出土體用料屬性，處理結(jié)果如表1所示。

表1 墊層用料性能

地基優(yōu)化設計時，采取數(shù)值模擬方法，考量路基剖面的設計需求，使用有限元軟件創(chuàng)建兩種設計方案，建立單組復合地基（圖2）、矩陣式四組群樁地基（圖3）兩種方案，從樁徑長度、管樁間隔、墊層大小等多個方面逐一進行優(yōu)化設計。

圖2是單排樁地基的設計方案，土體邊長取160 m，土體高度是邊長的一半，即80 m。

圖2 單排樁地基的設計方案

圖3是矩陣式群樁設計方案，管樁基礎長度為18 m，管樁直徑為0.4 m。案例項目地基結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方案如表2所示。

表2 案例項目地基結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方案

圖3 矩陣式群樁設計方案

優(yōu)化處理后，從無墊層、20 cm墊層、40 cm墊層、60 cm墊層4個方面逐一對比地基沉降情況。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，墊層厚度對地基沉降具有一定正向作用，地基優(yōu)化設計時，墊層厚度參數(shù)可選擇30～50 cm，以此保障地基沉降的控制效果。對比樁帽與樁間距各方案發(fā)現(xiàn)，相同樁距條件下，增大樁帽規(guī)格時，會相應增強地基性能；相同荷載作用時，樁帽規(guī)格增加后，會降低地基沉降量，樁間距對地基承載性能、結(jié)構(gòu)形變會形成一定影響。當樁間距/樁帽的結(jié)果為0.29～0.36時，地基承載性能明顯增強，地基沉降量較大。當樁間距與樁帽的比值大于0.36時，承載力增加量會減小，地基沉降量相應變小。為此，地基優(yōu)化設計時，樁帽大小應等于樁間距的0.2～0.4倍，以此控制地基沉降量，保證地基設計的優(yōu)化效果。

2.3 剪力墻優(yōu)化

相關(guān)施工單位應關(guān)注剪力墻的設計效果，合理使用剪力墻，間接增強結(jié)構(gòu)平穩(wěn)性，降低事故發(fā)生的概率，營造安全宜居的建筑空間。設計剪力墻時，設計人員需合理分布墻體結(jié)構(gòu)重量，使建筑剛度等同于各層結(jié)構(gòu)質(zhì)量。設計人員還應合理設計剪力墻的質(zhì)量承載能力，合理設計水平方向，使其處于角度平衡狀態(tài)。在剪力墻施工期間，需結(jié)合項目實況，全面分析剪力墻結(jié)構(gòu)性能，準確測算墻體結(jié)構(gòu)受力參數(shù)，結(jié)合項目實際需求，從結(jié)構(gòu)強度、結(jié)構(gòu)剛度等多個方面進行優(yōu)化設計[3]。

例如，某單位進行剪力墻設計時，在抗震設計、內(nèi)力測算、位移測定等方面逐一融合綠色思想，進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計。設計時，將剪力墻的個數(shù)、結(jié)構(gòu)厚度等因素設定成變量。優(yōu)化設計后，清晰地調(diào)整剪力墻布設結(jié)構(gòu)，有效控制剪力墻用量，調(diào)整剪力墻厚度，以此增強結(jié)構(gòu)整體的抗震能力，減少房屋建筑結(jié)構(gòu)的碳排放量。案例項目剪力墻優(yōu)化設計方案如表3所示。

表3 案例項目剪力墻優(yōu)化設計方案

參照剪力墻優(yōu)化需求，維持建筑功能，改進剪力墻的設計方法。優(yōu)化設計時，未改變剪力墻的用料、規(guī)格等參數(shù)，僅對布局數(shù)量進行優(yōu)化。優(yōu)化時，對于剛度變動位置、樓梯步行區(qū)、電梯間各處設計的剪力墻都進行保留處理。調(diào)整結(jié)構(gòu)中剪力墻的規(guī)格，改變剪力墻墻肢結(jié)構(gòu)，將其加工成“工字型”“T字型”等結(jié)構(gòu)，以此提升優(yōu)化設計效果。未優(yōu)化時單層墻肢長度是147 m，優(yōu)化后，各層墻肢長度為134.3 m，使墻肢長度縮短了12.6 m。圖4是優(yōu)化前后兩個剪力墻結(jié)構(gòu)的位移統(tǒng)計。

圖4 優(yōu)化前后兩個剪力墻結(jié)構(gòu)的位移統(tǒng)計

圖4中，橫坐標表示位移量，單位為mm；△線代表未優(yōu)化時剪力墻結(jié)構(gòu)的位移情況；*線表示優(yōu)化后剪力墻結(jié)構(gòu)的位移情況。由圖4可知，優(yōu)化前相比優(yōu)化后的位移表現(xiàn)更明顯，但兩個方案的位移差距較小，證明墻肢調(diào)小的優(yōu)化設計方案可行，不會改變剪力墻的結(jié)構(gòu)性能，可減少用料施工，使結(jié)構(gòu)分布更合理。

2.4 電氣優(yōu)化

設計建筑結(jié)構(gòu)時，設計人員應關(guān)注電氣程序、設備安裝的各項設計方法，堅持導向設計思想，在樓板、墻體等多個方位逐一進行電氣安裝，并參照電氣安裝規(guī)范，保證設備安裝質(zhì)量。施工期間，極易發(fā)生電氣穿梁問題，因此設計人員需提前設計孔洞位置，使梁體寬度等同于墻體寬度，防止管線露出墻外。房屋建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電梯設計是豐富房屋建筑功能的關(guān)鍵項目，電梯含有多種構(gòu)件，應合理進行電氣優(yōu)化設計，保證電梯運行的平穩(wěn)性[4]。

2.5 排水優(yōu)化

排水設計應從排水效果、管線荷載力等方面，合理進行設備裝配。地下室結(jié)構(gòu)需使用優(yōu)化技術(shù)嚴格測算管線預留規(guī)格、管線敷設深度，加強樓板鉆孔方位設計，給出相應的加固處理方案。針對水平方向管線設計工作，需加強重視，防止出現(xiàn)管線貫穿梁體問題。若有管線穿過承重墻的需求，應參照設計規(guī)范，做出相應的加固處理，提高排水管網(wǎng)的整體設計質(zhì)量。

建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的排水設計任務，是以中水系統(tǒng)、管徑流向為設計主體。中水系統(tǒng)能夠有效提高污水、雨水的凈化處理質(zhì)量，使其達到重新使用的標準，循環(huán)用水，減少水源消耗，取得較高的經(jīng)濟收益。設計人員需全面考量用料、運輸、用工等各項成本，優(yōu)選設計方案，必要時利用節(jié)水器具、變頻水泵進行排水系統(tǒng)設計，以此減少水源消耗，發(fā)揮節(jié)水優(yōu)化設計的積極作用。

2.6 室內(nèi)優(yōu)化

室內(nèi)裝飾設計是從空間、家具、色彩等方面逐一進行結(jié)構(gòu)設計。設計人員進行結(jié)構(gòu)設計時，應考慮用戶對各居室的使用需求，以人體工學視角，從站立、行走、坐臥等方面逐一進行內(nèi)飾設計。此種結(jié)構(gòu)設計工作要求工作人員利用自然資源，從溫度、濕度、通風等方面進行室內(nèi)結(jié)構(gòu)設計，減少能耗。例如，進行建筑室內(nèi)防水優(yōu)化布局時，初期選擇輕質(zhì)用料進行施工，如碳渣、煤渣等，但此類用料承重能力不足，會發(fā)生衛(wèi)生間沉降問題，為此，應進行管道位置校準，增設相應的防水層，保證優(yōu)化設計質(zhì)量。在進行防水設計時，可選擇二次排水結(jié)構(gòu)。施工時，回填2層、防水處理2次。在水電管線敷設完工后，進行首次回填處理，回填高度介于15～25 cm，去除無用管線，進行防水處理。再循環(huán)進行一次回填與防水，以此保障防水質(zhì)量[5]。

3 結(jié)語

綜上所述，使用優(yōu)化技術(shù)開展房屋建筑結(jié)構(gòu)的設計工作，參照建筑結(jié)構(gòu)的實際功能，梳理結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，給出時效性較強的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，增強優(yōu)化技術(shù)的新穎性。相關(guān)單位應結(jié)合實際工作需求，總結(jié)優(yōu)化技術(shù)的使用方法，加強優(yōu)化技術(shù)的專業(yè)交流，探索優(yōu)化技術(shù)的使用方法，切實提高房屋建筑結(jié)構(gòu)的各項設計質(zhì)量。