房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化措施研究

莫佳杰

（大象建筑設(shè)計(jì)有限公司上海分公司，上海 200002）

0 引言

在建筑工程項(xiàng)目施工前，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化需要建立在施工前期的概念優(yōu)化上，而房屋建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將直接影響房屋建筑的施工質(zhì)量。房屋結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)主要是指設(shè)計(jì)師根據(jù)自身的專業(yè)知識和已有經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合客戶對建筑的相關(guān)要求進(jìn)行建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)師必須綜合考量多方面因素，確保設(shè)計(jì)方案與整體房屋建筑結(jié)構(gòu)有效結(jié)合，促使房屋建筑結(jié)構(gòu)充分展現(xiàn)其實(shí)用性和美觀性價值。近年來，人們對房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。為適應(yīng)時代潮流，房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師應(yīng)打破傳統(tǒng)思想禁錮，充分展現(xiàn)房屋建筑結(jié)構(gòu)的美觀性、實(shí)用性及經(jīng)濟(jì)性。

1 房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)概述

1.1 房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)概念

房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，指的是在能夠充分滿足房屋建筑施工便利性的基礎(chǔ)上，有效結(jié)合美學(xué)和藝術(shù)學(xué)的特點(diǎn)及優(yōu)勢，將房屋建筑的功能性更好地展現(xiàn)出來，從而能夠在實(shí)現(xiàn)降低房屋建設(shè)成本的同時，提升房屋建筑的安全性、實(shí)用性以及美觀性。對房屋建筑的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時，需要打破傳統(tǒng)房屋建筑設(shè)計(jì)方法的約束，制訂更加科學(xué)合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，提升房屋整體的設(shè)計(jì)效果[1]。在設(shè)計(jì)過程中，需要將優(yōu)化設(shè)計(jì)理念貫穿始終，充分體現(xiàn)房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的核心內(nèi)涵，具體可注意以下兩點(diǎn)：①將房屋建筑結(jié)構(gòu)作為維護(hù)基礎(chǔ)，對房屋設(shè)計(jì)進(jìn)行整體優(yōu)化，在把握整體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)創(chuàng)新與改進(jìn)。②對房屋建筑的各個細(xì)節(jié)加強(qiáng)分析與研究，包括建筑的細(xì)節(jié)構(gòu)造、主體結(jié)構(gòu)、屋頂結(jié)構(gòu)、維護(hù)結(jié)構(gòu)以及地基等，實(shí)現(xiàn)對整體房屋建筑結(jié)構(gòu)的合理優(yōu)化與改善。

1.2 進(jìn)行房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的重要性

隨著我國建筑業(yè)的高速發(fā)展，建筑能耗越來越高，建筑行業(yè)的發(fā)展必須走可持續(xù)發(fā)展的道路，而這也對房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師提出了更高的要求。設(shè)計(jì)師必須開拓自身眼界，用更寬泛的眼光完成結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在完成房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，設(shè)計(jì)師還要綜合考量多方面需求，對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行進(jìn)一步的修改與完善，從而減少投入成本，同時為后續(xù)施工提供便利。此外，我國房屋建筑規(guī)模不斷增加，現(xiàn)階段的房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)建立在縮減建筑工程造價，凸顯房屋建筑后期使用功能的基礎(chǔ)上?；诖?，進(jìn)行房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，促使房屋建筑結(jié)構(gòu)科學(xué)化、合理化的發(fā)展也勢在必行。

1.3 房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的要點(diǎn)內(nèi)容

房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化在一定程度上是指設(shè)計(jì)理念的完善與創(chuàng)新。在完善理念的同時，設(shè)計(jì)師還應(yīng)合理選用設(shè)計(jì)方法，確保設(shè)計(jì)方案的科學(xué)合理，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果的最優(yōu)化。房屋建筑結(jié)構(gòu)主要是由地基基礎(chǔ)、主體結(jié)構(gòu)、屋面結(jié)構(gòu)等共同組成的，為全面實(shí)現(xiàn)房屋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，設(shè)計(jì)師在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，也應(yīng)著眼于細(xì)節(jié)，充分考量房屋位置、工程造價結(jié)構(gòu)受力及結(jié)構(gòu)選型等影響因素，在保障經(jīng)濟(jì)效益的同時，合理選擇最優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法[2]。

簡而言之，設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)過程中需要關(guān)注以下要點(diǎn)內(nèi)容：首先，充分掌握房屋建筑平面的平整度和結(jié)構(gòu)的對稱情況，盡量縮小剛性結(jié)構(gòu)和房屋建造質(zhì)量之間的沖突，提升建筑結(jié)構(gòu)的抗扭曲能力，避免在水平作用力下扭曲變形情況的發(fā)生。其次，為防止外來壓力的集中，有效降低建設(shè)成本，設(shè)計(jì)師不得改變房屋建筑原有的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)；再次，在進(jìn)行房屋建筑承重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，應(yīng)選擇豎直貫通樣式，以充分增加房屋豎直向上的承受力；最后，在進(jìn)行房屋建筑豎直方向的剛性設(shè)計(jì)時，必須充分保障其層次性，盡量避免因剛性結(jié)構(gòu)突變而出現(xiàn)應(yīng)力集中的問題，從而降低房屋的整體抗壓性能。

2 房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的原則

2.1 安全性

房屋建筑工程建設(shè)中，安全性是非常重要的指標(biāo)。因此，在進(jìn)行房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時，需要加強(qiáng)對安全性的重視，在充分考慮建筑整體結(jié)構(gòu)安全性的基礎(chǔ)上，對建筑物的功能性及技術(shù)性進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)[3]。

2.2 功能性

在滿足房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全性的基礎(chǔ)上，需要考慮房屋建筑使用者的需求，細(xì)致地了解使用者對房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的功能需求，并總結(jié)梳理，從而提升房屋建筑整體的功能性，確保各項(xiàng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠充分滿足用戶的使用要求。另外，還需要關(guān)注房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)用性、美觀性以及協(xié)調(diào)性等，通過運(yùn)用優(yōu)化技術(shù)促使整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)功能的統(tǒng)一性。

2.3 經(jīng)濟(jì)性

在房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，為提升建筑企業(yè)的經(jīng)濟(jì)與社會效益，需要加強(qiáng)對建筑成本的管理控制。在滿足房屋建筑結(jié)構(gòu)的安全性與功能性后，對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行完善，在嚴(yán)格遵守房屋設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的條件下，提升建設(shè)的規(guī)范性，進(jìn)而減少建設(shè)材料的損耗，提升資源的利用率以及房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性，從而滿足更多消費(fèi)者對經(jīng)濟(jì)及成本的考量。

3 房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化措施

3.1 建筑整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)優(yōu)化

建筑工程整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的核心環(huán)節(jié)，其設(shè)計(jì)質(zhì)量和水平將對建筑工程結(jié)構(gòu)的抗側(cè)能力、抗震能力以及對資源的消耗程度等產(chǎn)生重要的影響，因此，在設(shè)計(jì)實(shí)踐中應(yīng)不斷總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，按照設(shè)計(jì)規(guī)范要求對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化[4]。目前，在建筑國內(nèi)工程整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中大多采用的是框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)以及框剪結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)類型，其中框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要采用較大截面的墻柱結(jié)構(gòu)，會影響建筑工程內(nèi)部空間的利用率。而剪力墻結(jié)構(gòu)對建筑材料的消耗較少，且能夠有效提高建筑工程整體結(jié)構(gòu)的抗震性能?？蚣艚Y(jié)構(gòu)則能夠廣泛適應(yīng)多種環(huán)境條件下的建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，且其抗側(cè)性能以及抗震性能較為突出。不同的建筑工程結(jié)構(gòu)形式的性能特點(diǎn)存在一定的差異，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)建筑工程的具體情況，通過對各項(xiàng)影響因素的綜合分析對建筑工程整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化，以提高建筑結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，降低工程造價，使建筑工程項(xiàng)目能夠?qū)崿F(xiàn)更大的社會經(jīng)濟(jì)效益。還有就是，將內(nèi)部建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有效融入設(shè)計(jì)各環(huán)節(jié)，不僅能保證工程施工符合相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，而且能進(jìn)一步展現(xiàn)房屋建筑工程價值及使用性能。以現(xiàn)澆板設(shè)計(jì)為例，設(shè)計(jì)人員必須對現(xiàn)澆板的受力情況進(jìn)行綜合分析，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。只有這樣，才能有效避免后續(xù)施工中出現(xiàn)的拐角裂縫的現(xiàn)象。

3.2 建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)優(yōu)化

建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對保證建筑結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定以及控制工程造價均會產(chǎn)生較大的影響，因此，要對此環(huán)節(jié)進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化。目前，在建筑工程基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用。比較常見的樁基礎(chǔ)主要包括預(yù)制樁以及灌注樁等類型。其中灌注樁雖然能夠較好地滿足建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)承載上部荷載、總重控制以及沉降控制要求，但是，其施工工期較長。而預(yù)制樁由于可以采用工廠化方式進(jìn)行批量規(guī)模生產(chǎn)加工，所以其施工效率較高，能夠有效加快施工進(jìn)度。設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)建筑工程的實(shí)際情況以及工期要求等優(yōu)化選擇相應(yīng)的樁基結(jié)構(gòu)。同時，為了適應(yīng)建筑深基坑的要求，合理控制作用于樁身以及樁端部分的地基土壓力，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)樁身長度，以降低摩擦阻力，提高樁身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。此外，在建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的樁位設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量即將軸線樁設(shè)置于建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的下方，以達(dá)到控制底板厚度以及減少鋼筋等資源的消耗量的目的，從而實(shí)現(xiàn)對建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的技術(shù)優(yōu)化。

3.3 科學(xué)計(jì)算梁、板跨度

對于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作來講，跨度計(jì)算工作非常重要，在進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算工作過程中必須要嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)定開展，同時需要結(jié)合建筑物實(shí)際情況開展動態(tài)調(diào)整。對于建筑物選擇常規(guī)結(jié)構(gòu)的，跨度計(jì)算需要按照凈跨度1∶1；如果選擇建筑物的結(jié)構(gòu)形式為寬扁梁結(jié)構(gòu)，就需要選擇別的方式。對于梁板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過程中可以將其當(dāng)成變截面板；扁梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中首先需要對梁高與板厚之間的差異進(jìn)行確定，如果差異并不是太大就可以選擇在長度計(jì)算過程中直接進(jìn)行梁中心計(jì)算，按照相關(guān)參數(shù)進(jìn)行合理配筋。

3.4 重視箱、筏基礎(chǔ)底板跳板的設(shè)計(jì)

對于箱、筏基礎(chǔ)底板跳板設(shè)計(jì)過程中，對于邊跨底板鋼筋要求合理進(jìn)行優(yōu)化。如果選擇通長布置法這種方式，則不需要進(jìn)行通長筋增加，這樣能夠?qū)⒉牧侠速M(fèi)和損耗有效減少。對于建筑物窗井部位計(jì)算不能與跳板計(jì)算方式一樣，如果建筑物有地下室，則需要對各項(xiàng)問題進(jìn)行靈活考慮。

3.5 建筑承重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)優(yōu)化

承重墻是建筑結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)規(guī)模以及設(shè)置數(shù)量的合理性將對建筑工程整體結(jié)構(gòu)的安全性、穩(wěn)定性以及建筑空間的利用率等產(chǎn)生較大的影響，因此，需要對建筑承重墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化[5]。在建筑承重墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)踐中，應(yīng)采用具有及較高穩(wěn)定性和強(qiáng)度的建筑材料提高承重墻結(jié)構(gòu)的抗壓能力以及抗震能力。同時應(yīng)優(yōu)化承重墻的設(shè)置數(shù)量以及結(jié)構(gòu)規(guī)模，雖然較大較多的承重墻設(shè)計(jì)能夠提高建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，但是會影響建筑室內(nèi)空間利用率，且較不美觀，不符合現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，所以在設(shè)計(jì)實(shí)踐中應(yīng)在保證建筑結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)上將其結(jié)構(gòu)規(guī)模適當(dāng)減小，并提高墻體結(jié)構(gòu)的抗剪能力，從而兼顧建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在穩(wěn)定性以及美觀性等方面的要求，達(dá)到技術(shù)優(yōu)化的目的。

3.6 建筑細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)優(yōu)化

在對建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化時，還應(yīng)高度重視對建筑細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。在設(shè)計(jì)實(shí)踐中可以采用多個矩形板拼接方式處理異形板，以提高結(jié)構(gòu)受力的平衡性，并減少拐角縫的存在。同時，在建筑框架抗震墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，如需使用冷軋帶肋鋼筋材料時，應(yīng)對鋼筋用量進(jìn)行合理控制，以便于后續(xù)的施工操作，并達(dá)到降低工程造價的目的。設(shè)計(jì)人員應(yīng)積極應(yīng)用三維仿真模擬等先進(jìn)的信息技術(shù)對建筑細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，通過計(jì)算機(jī)軟件構(gòu)建三維模型能夠?qū)ㄖ?xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果進(jìn)行直觀準(zhǔn)確的呈現(xiàn)，從而使建筑細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化更加便捷。

3.7 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)美觀性技術(shù)優(yōu)化

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人民生活水平的提高，對建筑工程設(shè)計(jì)也提出了新的要求，在保證建筑結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，還應(yīng)兼顧建筑外觀的美觀性，以滿足現(xiàn)代社會對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)際需求。因此，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)充分考慮建筑外觀的視覺效果要素，將現(xiàn)代審美元素融入建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中，對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化，通過應(yīng)用先進(jìn)的設(shè)計(jì)手段妥善協(xié)調(diào)建筑結(jié)構(gòu)與外觀美觀性之間的關(guān)系，以取得二者的平衡性，實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)優(yōu)化目標(biāo)，創(chuàng)作出富有現(xiàn)代建筑風(fēng)格的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作品。

3.8 根據(jù)建筑給排水技術(shù)要求優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

給排水系統(tǒng)是現(xiàn)代建筑工程中不可或缺的組成部分，因此在對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化時，應(yīng)充分考慮建筑給排水系統(tǒng)的技術(shù)要求。給排水系統(tǒng)往往需要使用較多的機(jī)械設(shè)備以及管網(wǎng)設(shè)施，這些設(shè)備客觀上加大了建筑結(jié)構(gòu)的荷載，其在施工時經(jīng)常會對建筑梁柱結(jié)構(gòu)造成破壞。為了保證建筑結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，并確保給排水系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)優(yōu)化給排水設(shè)施的布設(shè)位置，并科學(xué)布設(shè)預(yù)留孔洞以及預(yù)留空間，盡量避免在后期施工時給排水管線貫穿對建筑梁柱結(jié)構(gòu)的影響。對預(yù)留孔洞以及貫穿墻體應(yīng)采取必要的加固處理，以確保建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.9 根據(jù)建筑電氣系統(tǒng)技術(shù)要求優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)代建筑中涉及的電氣設(shè)備較多，電氣系統(tǒng)較為復(fù)雜，電氣管線以及設(shè)備安裝均對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了較高的要求，同時，高層建筑中電梯等系統(tǒng)安裝對建筑結(jié)構(gòu)的荷載計(jì)算以及空間布局等都會產(chǎn)生較大的影響，因此，需要對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化，以適應(yīng)建筑電氣系統(tǒng)的實(shí)際要求。例如，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)優(yōu)化梁體以及墻體結(jié)構(gòu)厚度，合理預(yù)留孔洞位置，以便于后期電氣管線的安裝。此外，還應(yīng)根據(jù)電梯特點(diǎn)對相關(guān)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以確保電梯運(yùn)行安全等。

4 結(jié)語

綜上所述，為了充分保障房屋建筑結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)質(zhì)量，順利推進(jìn)建筑工程后續(xù)施工，滿足人們對房屋建筑結(jié)構(gòu)的多樣化需求，相關(guān)單位及設(shè)計(jì)人員必須對房屋建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)方案及設(shè)計(jì)模型進(jìn)行全方位優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)我國房屋建筑事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有較大的復(fù)雜性，要求設(shè)計(jì)人員對各方面的因素進(jìn)行充分考慮，科學(xué)處理設(shè)計(jì)中的細(xì)節(jié)問題，尤其要做好基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)關(guān)注設(shè)計(jì)中的常見問題，從而提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量，為建筑工程的順利開展打下良好基礎(chǔ)。