建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法在設(shè)計中的應(yīng)用

楊淑斌

基準(zhǔn)方中建筑設(shè)計股份有限公司 安徽 合肥 230071

引言

目前，住宅的主要特征是：適用性、安全性、經(jīng)濟性、可觀性等。隨著人民生活水平的提高，對住宅的要求也越來越高，越來越注重實用和安全。建筑業(yè)的飛速發(fā)展，人們對建筑的外觀和結(jié)構(gòu)進行了相應(yīng)的改進，滿足人們需求。新型城鎮(zhèn)化進程的不斷推進，社會經(jīng)濟飛速發(fā)展和人民群眾的日益需要，當(dāng)前住宅建筑的設(shè)計新趨勢是既要確保建筑的功能、安全，又要節(jié)約空間，提高建筑的經(jīng)濟、利用效率。

1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法的重要性及意義

充分運用建筑結(jié)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)計理念，可以更好地發(fā)揮住宅產(chǎn)品屬性的功能，更好地體現(xiàn)出新型建筑的優(yōu)良特性，更好地滿足人們的需求。與傳統(tǒng)建筑設(shè)計方法相比，該方法具有更大的優(yōu)越性，可以提高整個工程的綜合經(jīng)濟效益。通過對建筑的優(yōu)化設(shè)計，可以使住宅的結(jié)構(gòu)和機電系統(tǒng)之間的聯(lián)系更加緊密，更容易實現(xiàn)建筑的功能需求，從而提高住宅的綜合質(zhì)量，從而使人們的生活更安全、舒適。因此，對住宅進行優(yōu)化設(shè)計，既可以保障住宅的安全，滿足人們需要，又可以提高建筑單位的經(jīng)濟效益。

在住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計中，合理地進行結(jié)構(gòu)設(shè)計是非常重要的，它既能達(dá)到實用和美感，又能有效地控制項目的成本，提高經(jīng)濟效益。對建設(shè)單位（房地產(chǎn)開發(fā)企業(yè)）而言，他們核心目標(biāo)自然想要在最小的投入下，取得最大的利益，但同時也要確保結(jié)構(gòu)的科學(xué)性、可靠性和安全性，這就必然需要進行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。通過對結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與傳統(tǒng)住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計的對比分析可以得出，采用優(yōu)化設(shè)計技術(shù)可以降低工程總成本的6%～25%。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)可以使結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件之間布置更合理，結(jié)構(gòu)受力更加明確，同時也能最大限度地發(fā)揮新型建筑材料的特性。這種方法既可以確保住宅產(chǎn)品質(zhì)量安全可靠，符合有關(guān)法律法規(guī)的要求，又可以達(dá)到經(jīng)濟和實用的，是一種具有劃時代設(shè)計理念建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，具有十分重要的實際指導(dǎo)意義。

對于建設(shè)單位而言，要想讓自己的產(chǎn)品滿足購房者的需求的前提下，獲得最大限度的經(jīng)濟效益，就必須通過優(yōu)化設(shè)計，降低房子的建造成本。過去的建筑設(shè)計難以完全符合現(xiàn)代建筑的需求，常常會造成無法兼顧的情況，但在采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)后，上述期望便得以實現(xiàn)[1]。

2 房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法的要點

結(jié)構(gòu)的生命周期和最優(yōu)的階段。為了使建筑的生命周期和階段性的優(yōu)化，必須在項目的生命周期中，對各個階段的方案進行優(yōu)化。同時，設(shè)計人員還應(yīng)對不同時期的結(jié)構(gòu)體系進行合理的選擇，從而達(dá)到最大限度地保障結(jié)構(gòu)的壽命，從而有效地改善建筑的總體質(zhì)量。

在前期設(shè)計階段，建筑結(jié)構(gòu)在房屋的設(shè)計中應(yīng)注重運用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法，從而達(dá)到對房屋結(jié)構(gòu)的可靠的質(zhì)量控制目標(biāo)和最優(yōu)設(shè)計成本的目的。在項目前期，對規(guī)劃方案優(yōu)化設(shè)計、建筑方案優(yōu)化設(shè)計、結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化設(shè)計等設(shè)計方案進行全面的綜合運用，可以將建筑設(shè)計中的一些疏漏的交圈問題和設(shè)計盲點，以及質(zhì)量控制隱患提前暴露出來，從而達(dá)到最優(yōu)設(shè)計方案，確保最大經(jīng)濟效益，使方案的經(jīng)濟性、安全性、合理性達(dá)到最大化。

設(shè)計計算方法及步驟。在進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時，必須確保選擇的結(jié)構(gòu)方案的最優(yōu)。在此過程中，包含許多限制因素、變量，因此，在進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計時，必須先認(rèn)識到這些限制因素，再進行合理的理論分析，最后再將各影響因素進行等效、模擬納入到工程設(shè)計理論中，利用數(shù)學(xué)方法對其進行計算分析、優(yōu)化。

結(jié)構(gòu)設(shè)計人員可以通過不斷的優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置、調(diào)整計算參數(shù)，對結(jié)構(gòu)計算模型進行優(yōu)化設(shè)計，來得到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性有直接的關(guān)系，所以在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，在兼顧安全性的同時，必須充分運用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法，對地質(zhì)條件、樁基類型、基礎(chǔ)類型、基礎(chǔ)構(gòu)造做法等進行優(yōu)化設(shè)計。對于樁基方案來說通過經(jīng)濟技術(shù)對比的優(yōu)化方案，確定樁基的形式、確定樁長、直徑，結(jié)合施工進度質(zhì)量等要求優(yōu)化基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的方案，選擇最合適的基礎(chǔ)方案，以提高和確保整體結(jié)構(gòu)強度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[2]，同時確保結(jié)構(gòu)安全可靠、經(jīng)濟合理。另外，對于地下水豐富地區(qū)，還需要考慮合理的抗浮設(shè)計方案。

對主體的上部結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。在進行高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化時，應(yīng)先合理布置剪力墻，使其布置經(jīng)濟合理，從而有效抵抗荷載作用如風(fēng)、地震等。在進行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)盡量控制剪力墻面積，提高業(yè)主后期改造的可能性，并盡可能的預(yù)留改造條件。同時，加大新材料的推廣應(yīng)用，如使用高強度混凝土（C60）、高強度的鋼筋（CRB600H）。其次，從施工角度出發(fā)，在進行上部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計時，考慮施工可行性，采用新技術(shù)，降低人力投入、簡化施工的同時，提高施工質(zhì)量，如，采用鋁合金模板技術(shù)使用，提高模板周轉(zhuǎn)使用率，以達(dá)到提高施工效率的目的，同時提高了施工質(zhì)量。

概念設(shè)計與理論實踐相結(jié)合。不同之處在于，概念化的設(shè)計往往與真實的數(shù)據(jù)分離，對設(shè)計人員的要求較高，因而在進行計算時，對于不同的設(shè)計人員，抗震概念理解不同，不可避免地會產(chǎn)生很大的差別。這就需要在進行概念設(shè)計時，設(shè)計人員要對相關(guān)規(guī)范的深刻理解到位，并將有關(guān)的理論要求應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計，對計算軟件提供設(shè)計結(jié)果，判斷其合理性，并用于結(jié)構(gòu)設(shè)計實踐中。在進行設(shè)計時，不僅要對整個設(shè)計進行宏觀的把握，還要注重細(xì)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，確保細(xì)部的工作不會出錯，以確保整體結(jié)構(gòu)達(dá)到的安全、合理的效果。例如：材料強度、抗拉強度取值、荷載取值、結(jié)構(gòu)計算參數(shù)等各細(xì)部要素的設(shè)計取值，可以極大地保障結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計實踐中的廣泛應(yīng)用。

3 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中的具體應(yīng)用

3.1 分階段優(yōu)化和壽命優(yōu)化

在一個特定的時期里，每一個項目都有一個固定的壽命周期，每一個周期都會有不同的設(shè)計方案，從這一點上來說，每一個階段都可以進行優(yōu)化。所以，在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，必須考慮到不同時期的不同特征，以使整個結(jié)構(gòu)的壽命得到最大限度的優(yōu)化，并確保工程的總體質(zhì)量[3]。

3.1.1 整體優(yōu)化和局部優(yōu)化。建筑結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計是復(fù)雜的、層次的，從結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性出發(fā)，建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化包括材料的選擇、構(gòu)件的選擇、結(jié)構(gòu)體系的選擇等等；從層次上說，結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化包括整體設(shè)計、基礎(chǔ)設(shè)計和主體設(shè)計和節(jié)點設(shè)計，這些系統(tǒng)又包括多個附屬系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化時，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員既要優(yōu)化各個子體系，也要打破相關(guān)的邊界，達(dá)到“疊合式”，也就是要從整體上進行整體優(yōu)化。

3.1.2 上部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。為了優(yōu)化住宅的上部結(jié)構(gòu)，應(yīng)在高層建筑中合理設(shè)置剪力墻。在合理配置剪力墻時，必須使墻體的分布均勻、并盡量布置在結(jié)構(gòu)四周，從而使結(jié)構(gòu)的剛性中心點與樓面整體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心相統(tǒng)一重和，從而減小結(jié)構(gòu)在外部荷載如地震、風(fēng)等對房屋產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)作用。同時，為了減少鋼筋、混凝土等建材的消耗量，在結(jié)構(gòu)允許的情況下，可采取大開口的剪力墻結(jié)構(gòu)，減小剪力墻長度、減少墻肢數(shù)量、提高混凝土強度等措施，既能滿足結(jié)構(gòu)需要，又能減少混凝土用量。當(dāng)然，在進行房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)注意到，如果房屋所處的地段地質(zhì)情況不佳，并且對地震反應(yīng)能力有很高的要求，那么就不宜采用大面積的剪力墻[4]。

3.1.3 下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化。在進行地基結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要合理地選擇基礎(chǔ)方案，比如，根據(jù)施工現(xiàn)場的實際情況，選用適當(dāng)?shù)臉痘桨?，并盡可能降低施工成本。同時，根據(jù)樁端持力層的長度，合理地選擇樁長，對不同的設(shè)計方案進行了分析、對比，并結(jié)合場外試樁，最終確定了最優(yōu)的樁長。

3.2 概念設(shè)計結(jié)合細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

如果沒有特定的數(shù)字量化，我們可以采用概念設(shè)計。比如，當(dāng)抗震設(shè)防時，由于地震作用的不確定因素，我們就不能得到與實際情況相符的理論公式。因此，在進行抗震設(shè)計時，我們可以采用概念設(shè)計的方式，將其與之對應(yīng)的數(shù)值取值相結(jié)合。同時，在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要合理、靈活地運用結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法，以取得最好的效果。在進行工程設(shè)計時，應(yīng)對各構(gòu)件進行合理的設(shè)計與優(yōu)化，進行簡化計算，例如：在采用現(xiàn)澆混凝土異型樓板板時，因彎角容易出現(xiàn)裂紋，可將其簡化為矩形板，再合理地選擇鋼筋構(gòu)造措施，既能滿足結(jié)構(gòu)的基本要求，又能確保施工安全、合理。

3.2.1 結(jié)構(gòu)與建筑的協(xié)調(diào)優(yōu)化。建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化應(yīng)注重建筑結(jié)構(gòu)與建筑功能造型的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，從而達(dá)到建筑的美觀和結(jié)構(gòu)的安全合理。在布置建筑物的柱子和剪力墻時，要根據(jù)建筑物的平面功能要求，保證各房間的功能是完整的，結(jié)構(gòu)布置不影響建筑功能的施工。在進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時，應(yīng)選用強度高的建筑材料，以減輕結(jié)構(gòu)的重量。對于非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，可以選用重量輕的建筑材料，如內(nèi)隔墻的砌體材料。同時，在結(jié)構(gòu)體系中，盡量做到簡單明了，避免墻體和立柱的錯位，并保證各樓層的高度和剖面空間是連通的，使結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件連續(xù)，結(jié)構(gòu)傳力合理。

3.2.2 結(jié)構(gòu)與排水系統(tǒng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化。排水是住宅建設(shè)的重要組成部分，因此，在進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時，必須考慮到結(jié)構(gòu)和排水的協(xié)調(diào)。由于住宅的特殊排水管道，其安裝的管線比較多，所以其承受的荷載比一般的房間要大，所以在結(jié)構(gòu)優(yōu)化時，可以在地下室設(shè)置給水系統(tǒng)專用房[5]。由于設(shè)備房中管線眾多，且管徑、根數(shù)各有不同，在設(shè)計時必須確保預(yù)留的孔徑和預(yù)埋深滿足規(guī)范要求。另外，由于某些水平方向的管線會穿過剪力墻或橫梁，因此在結(jié)構(gòu)優(yōu)化時應(yīng)盡量避免。在施工時，若管線必須穿過結(jié)構(gòu)房屋的剪力墻，則應(yīng)對其進行必要的加強。為了使住宅建筑的整體結(jié)構(gòu)和排水系統(tǒng)達(dá)到最佳的協(xié)調(diào)，盡量減少管線穿剪力墻、穿梁等問題。

3.2.3 結(jié)構(gòu)與電氣系統(tǒng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化。為了使房屋的建筑結(jié)構(gòu)與電力系統(tǒng)的最佳化，一般都是在金屬管道的外部或者墻壁、樓板上鋪設(shè)電線，這種方式往往會影響到建筑的正常使用。因此，在進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時，應(yīng)事先預(yù)留出與梁寬度相適應(yīng)的孔洞[6]。如果不能保持一致，那么至少要保證墻的一邊和橫梁的邊是水平的，這樣才能保證管子不會從墻里露出來。比如要讓管道從梁體上穿過去，就必須要做好準(zhǔn)備，不然的話，下一次要穿過梁體，就必須要預(yù)留一個孔，這不但會影響到美觀，還會影響到結(jié)構(gòu)整體安全。

3.3 對于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在我國的住房配套結(jié)構(gòu)中占有重要地位，目前國內(nèi)大多數(shù)住宅均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。因此，有必要對鋼筋混凝土框架進行設(shè)計優(yōu)化。在某些鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中進行優(yōu)化設(shè)計是必要的。一般都是按照建筑的剖面控制方案來設(shè)計，然后利用有限單元的方法，對整個結(jié)構(gòu)進行受力分析，然后將其分解，得到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)束語

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計是非常關(guān)鍵的，它既可以滿足技術(shù)指標(biāo)，又可以降低經(jīng)濟費用。但是，由于建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化問題十分復(fù)雜，而且具有很強的綜合性，因此需要加強對其優(yōu)化的研究。文章對住宅結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計進行了深入的探討，并給出了有關(guān)的優(yōu)化優(yōu)化方法和關(guān)鍵點，以供廣大設(shè)計人員參考。