房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)濟性及優(yōu)化技術(shù)運用

文／牛超、朱秀偉 新泰市國土空間規(guī)劃服務(wù)中心 山東新泰 271200

引言：

我國對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的研究起步較晚，雖然近些年取得了一定的成就，但受到許多因素的影響與制約，其設(shè)計水平和實際使用效果還存在著一些問題。因此，計算與分析建筑結(jié)構(gòu)的可靠度是十分重要的一項工作。國外主要從以下幾個方面來考慮建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠度：（1）建筑物對抗震性能的要求較高，這也是建筑設(shè)計最大的特點；（2）在設(shè)計時，設(shè)計人員需要充分了解建筑工程的具體情況，并且根據(jù)這些條件來確定合理的設(shè)計方案；（3）在選擇結(jié)構(gòu)的剛度和強度時，設(shè)計人員不僅需要結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂颦h(huán)境，還需要注意不同地區(qū)的差異性，從而保證建筑的安全性與穩(wěn)定性。目前，國內(nèi)關(guān)于高層建筑抗震性的相關(guān)研究較少，對大型民用建筑的抗震性研究更是少之又少，這使得人們的安全意識淡薄。隨著人口數(shù)量的不斷增加，城市建設(shè)的規(guī)模越來越大，導(dǎo)致安全事故頻繁發(fā)生，這嚴(yán)重威脅了人們的生命財產(chǎn)安全。

1、房屋建筑結(jié)構(gòu)與經(jīng)濟性關(guān)系的處理

1.1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與建筑設(shè)備之間經(jīng)濟關(guān)系處理

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計是建筑工程的核心框架，對于項目質(zhì)量安全和功能優(yōu)化起到了關(guān)鍵性作用。建筑層數(shù)的增加導(dǎo)致建筑設(shè)備增多，無論是電路設(shè)備還是排水管道的建設(shè)難度增加，所需的施工材料增多，導(dǎo)致工程項目成本變多，因此把控建筑層數(shù)的合理性，優(yōu)化設(shè)計建筑結(jié)構(gòu)，滿足人們的使用需求的前提下，分析大數(shù)據(jù)系數(shù)，從而進(jìn)行科學(xué)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)經(jīng)濟效益最大化。隨著建筑層數(shù)的增加，人們的用電需求和排水量也隨之增加，不僅在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計建設(shè)過程中造成成本增大，在后期的建筑使用中還會造成排水壓力，對于后期維護(hù)方面造成較大影響，因此科學(xué)的設(shè)計規(guī)劃對建筑工程的建設(shè)與使用都有重要意義。

1.2 建筑結(jié)構(gòu)外觀和經(jīng)濟關(guān)系處理

建筑結(jié)構(gòu)不僅決定了建筑外觀和建筑形狀，并且還決定了建筑整體的穩(wěn)定性和安全性，因此前期進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要遵循安全合理性原則，根據(jù)建筑項目的用途和特點進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，其中圓形結(jié)構(gòu)和方形結(jié)構(gòu)較為常見，使得建筑每個部位受力均勻，能夠起到良好的承載支撐性，規(guī)避各類安全風(fēng)險。若是考慮到外觀造型的美觀性，設(shè)計不規(guī)則的建筑外觀，需要加強建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的強化，提高結(jié)構(gòu)強度，并設(shè)置剪力墻，提高建筑防震能力，有效避免在長期的風(fēng)化和受力過程中造成墻面裂痕出現(xiàn)，提升建筑項目質(zhì)量安全。

1.3 建筑部分結(jié)構(gòu)與建筑層數(shù)經(jīng)濟關(guān)系處理

建筑的部分結(jié)構(gòu)與建筑層數(shù)之間也有著直接關(guān)系，隨著建筑層數(shù)的增加，建筑基層構(gòu)件需要進(jìn)行剛度和強度的優(yōu)化，增加建筑基礎(chǔ)構(gòu)件的規(guī)格，擴大基坑面積，增加基坑深度，采用鋼筋混凝土澆筑和支架固定結(jié)合的方式進(jìn)行建筑本體的穩(wěn)定，成本也會相對增加，超高建筑會導(dǎo)致建筑穩(wěn)定性下降，因此加強建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，設(shè)定科學(xué)合理的建筑層數(shù)，實現(xiàn)建筑項目利益最大化，保障建筑工程項目質(zhì)量。房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜也會導(dǎo)致整體成本增加，需要在后期裝修時耗費更多的材料，但是結(jié)構(gòu)的合理性和舒適性是決定用戶滿意度的關(guān)鍵因素，也是決定房屋出售效果的核心要素。

1.4 建筑用地面積和建筑層數(shù)經(jīng)濟關(guān)系處理

建筑工程項目所占面積基本確定，因此在面積恒定的基礎(chǔ)上，增加建筑層數(shù)就可以增加購買需要，高層建筑的層數(shù)越多，平均分?jǐn)偟挠玫孛娣e會越來越少。但是建筑層數(shù)過多，會導(dǎo)致建筑部分區(qū)域光照效果降低，導(dǎo)致部分樓盤的采光性較差，不能滿足人們的住房用房需求，對于部分樓盤的購買力下降，建筑成本上升，企業(yè)經(jīng)濟效益較差。因此科學(xué)測量建筑之間的距離，根據(jù)太陽移動軌跡，進(jìn)行樓盤朝向的設(shè)計，并根據(jù)光照角度進(jìn)行樓間距的設(shè)計，不僅要提升整體建筑采光效果，還要保障住房的舒適合理性。

2、房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中優(yōu)化技術(shù)的運用

2.1 房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的前期應(yīng)用分析

加強企業(yè)對建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的重視，在前期進(jìn)行項目的多項分析，并且根據(jù)地形特點進(jìn)行全面優(yōu)化分析，科學(xué)進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，確保建筑項目施工建設(shè)的可行性。在前期房屋結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案設(shè)計中，要綜合建筑項目進(jìn)行全方位設(shè)計規(guī)劃，對工程項目具有非常關(guān)鍵作用，后期建筑使用與前期設(shè)計息息相關(guān)，有效規(guī)避建筑安全風(fēng)險，科學(xué)節(jié)約施工成本。在前期設(shè)計工作中要融合工程造價技術(shù)，將工程造價管理融入到工程全過程中，從前期設(shè)計到最終的質(zhì)檢驗收階段都要進(jìn)行充分的預(yù)算分析，將結(jié)構(gòu)設(shè)計工作貫穿項目建設(shè)全過程，加強設(shè)計隊伍與施工隊伍之間的溝通協(xié)作，減少設(shè)計變更，降低成本浪費，保障工程在合理工期內(nèi)完成。

例如，在現(xiàn)階段的房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中，多數(shù)設(shè)計單位已經(jīng)應(yīng)用了BIM技術(shù)。此時，可以將房屋結(jié)構(gòu)二維平面圖的電子版本導(dǎo)入到3D Revit 軟件之中，生成房屋結(jié)構(gòu)BIM模型。為了保障整個房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的可靠性，可以配合“族庫”設(shè)置，將結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)據(jù)代入到模型參數(shù)中進(jìn)行驗證處理。同時，也可以將經(jīng)驗值代入到模型中，比較設(shè)計值與經(jīng)驗值條件下，房屋結(jié)構(gòu)BIM模型差異。由于當(dāng)前的房屋建筑工程項目中應(yīng)用了工業(yè)設(shè)計思想中的產(chǎn)業(yè)鏈思維，創(chuàng)建了以設(shè)計、采購、施工、訂單、營銷、售后為基本環(huán)節(jié)的生產(chǎn)建設(shè)產(chǎn)業(yè)鏈條。因此，在應(yīng)用BIM技術(shù)時，可以根據(jù)設(shè)計施工一體化體系搭建BIM技術(shù)信息平臺，使設(shè)計單位、施工單位、業(yè)主、監(jiān)理單位在統(tǒng)一的BIM信息技術(shù)平臺上，通過信息交互、數(shù)據(jù)共享，實時的進(jìn)行溝通，并結(jié)合協(xié)同合作機制，降低各方的糾紛與矛盾。尤其是在設(shè)計變更方面，應(yīng)用BIM技術(shù)后，總項目、分項目、子項目、各個構(gòu)件的BIM模型十分清楚。此時，即使發(fā)生設(shè)計變更問題，也可以根據(jù)BIM設(shè)計一體化體系，通過一次性的系統(tǒng)性變更，降低變更過程中花費的時間、人力、財力等，進(jìn)而達(dá)到節(jié)約變更成本的目標(biāo)。需要說明的是，在BIM技術(shù)應(yīng)用過程中，能夠?qū)⑸傻腂IM模型導(dǎo)入到4D Navisworks 軟件，對施工進(jìn)行可視化模擬，預(yù)測施工環(huán)節(jié)可能發(fā)生的問題，進(jìn)而制定匹配的預(yù)防措施。

2.2 注重細(xì)節(jié)的優(yōu)化處理

注重細(xì)節(jié)的優(yōu)化處理，根據(jù)工程項目特點進(jìn)行建筑局部的合理調(diào)整，確保整體建筑結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定，不會因為局部因素造成整體安全隱患出現(xiàn)。例如，在進(jìn)行房屋結(jié)構(gòu)矩形板的澆筑設(shè)計時，要注重矩形板規(guī)格的設(shè)定，根據(jù)建筑造型和結(jié)構(gòu)進(jìn)行矩形板幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計，加強原材料的攪拌制作管控，使得原材料可以充分?jǐn)嚢瑁?xì)化的制作流程避免氣泡產(chǎn)生，增強矩形板梁結(jié)構(gòu)的堅固性，分二層澆筑保障結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，確保矩形板能夠有較強預(yù)應(yīng)力，實現(xiàn)對建筑內(nèi)外的安全支撐，提升建筑結(jié)構(gòu)的荷載力。

再如，當(dāng)前房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，隨著新材料、新工藝和新技術(shù)的運用，已經(jīng)逐漸開始應(yīng)用裝配式建筑。這種裝配式建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，牽涉到預(yù)制件的制作?？墒怯捎陬A(yù)制件規(guī)格大小不同，在預(yù)制件的設(shè)計過程中，要從結(jié)構(gòu)設(shè)計的不同組成要素出發(fā)，進(jìn)行整體設(shè)計、局部設(shè)計方面的比較與檢驗，盡可能保障整體設(shè)計與局部設(shè)計關(guān)系的一致性。從當(dāng)前裝配式房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗看，樓梯預(yù)制構(gòu)件、樓板預(yù)制構(gòu)件、剪力墻預(yù)制構(gòu)件等設(shè)計時，要將它們與整體建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計聯(lián)合起來，進(jìn)行局部設(shè)計、整體設(shè)計方面的拼合檢驗。另外，由于裝配式建筑中的拼裝施工要求做到嚴(yán)絲合縫，所以，通常可以利用BIM技術(shù)進(jìn)行裝配施工模擬，檢驗其是否達(dá)到設(shè)計優(yōu)化目標(biāo)。具體操作方面，要求使用BIM技術(shù)中的碰撞檢查功能，對各個連接位置的節(jié)點定位、連接數(shù)據(jù)、拼裝效果等進(jìn)行全面檢驗與評估，確保裝配式房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的有效性以及在優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用的條件下，提高其設(shè)計的經(jīng)濟性，使其產(chǎn)出綜合效益。需要注意的是，在設(shè)計施工一體化體系之下，設(shè)計方面的科學(xué)技術(shù)與管理技術(shù)，一般采用融合應(yīng)用方式。所以，在細(xì)節(jié)層面應(yīng)用基于BIM技術(shù)的優(yōu)化方案時，也應(yīng)該配套的做好設(shè)計環(huán)節(jié)的管理。建議將結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計管理與定額管理結(jié)合起來，保障裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)濟性及優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用效用。

2.3 融合信息技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計已經(jīng)無法全面滿足現(xiàn)代建筑的需求，高層建筑工程項目需要進(jìn)行分析的數(shù)據(jù)較多，人工分析會出現(xiàn)很多漏洞。因此加強信息技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用，通過BIM系統(tǒng)進(jìn)行前期的建筑模型設(shè)計，將建筑結(jié)構(gòu)和整體建筑群之間的距離進(jìn)行分析，實現(xiàn)建筑工程項目設(shè)計合理性與可行性，融合工程造價技術(shù)進(jìn)行成本預(yù)算的精準(zhǔn)化控制。設(shè)計部門通過CAD 進(jìn)行建筑平面結(jié)構(gòu)的設(shè)計，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的標(biāo)注，再通過3D 模型的設(shè)計進(jìn)行施工預(yù)演，分析施工的可行性，針對性的進(jìn)行設(shè)計方案的修改，避免施工階段出現(xiàn)較為嚴(yán)重的設(shè)計變更，實現(xiàn)建筑設(shè)計的精準(zhǔn)化。

具體而言，在當(dāng)前的房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化時，可以將CAD技術(shù)、BIM技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)全面融合起來，按照CAD—3DRevit—4DNavisworks——碰撞檢查的技術(shù)應(yīng)用流程，進(jìn)行全面而系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。從當(dāng)前實踐經(jīng)驗看，應(yīng)用上述技術(shù)時，可以配套選擇數(shù)據(jù)庫技術(shù)完成房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要素庫、結(jié)構(gòu)設(shè)計指標(biāo)庫(技術(shù)指標(biāo)、成本指標(biāo)),提高結(jié)構(gòu)設(shè)計的精準(zhǔn)性。同時，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計可以被劃分為多個部分的設(shè)計。此時，分部項目設(shè)計數(shù)量增多后要實時同步、統(tǒng)一管理，就需要應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)，使各個分部項目設(shè)計時可以實時的完成設(shè)計數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)上傳、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)抽取、數(shù)據(jù)分析、生成分析報告、下發(fā)分析報告、調(diào)整設(shè)計方案等。當(dāng)前階段，在設(shè)計施工一體化條件下，可以將成本、質(zhì)量、環(huán)境、文檔、資源、進(jìn)度等專項管理，貫徹到設(shè)計、采購、施工、運維各個環(huán)節(jié)，保障在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計施工一體化方案實踐中，達(dá)到低成本投入、高技術(shù)融合應(yīng)用目標(biāo)。簡單講，應(yīng)該積極發(fā)揮設(shè)計環(huán)節(jié)的引領(lǐng)性作用，使設(shè)計環(huán)節(jié)完成對后續(xù)各環(huán)節(jié)的系統(tǒng)性控制，并通過設(shè)計環(huán)節(jié)提高建筑產(chǎn)品的可營利空間等。

2.4 提高房屋建筑結(jié)構(gòu)的耐用性及安全性

加強房屋建筑結(jié)構(gòu)的耐用性分析，選用合適的材料進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的施工建設(shè)，建筑結(jié)構(gòu)框架是確保建筑安全穩(wěn)定的核心部分，因此，加強房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，提升建筑的耐久性和安全性，科學(xué)減少材料用量，用鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行框架建設(shè)，用較輕的新型環(huán)保材料進(jìn)行建筑體的施工建設(shè)，提升建筑外表的密度和強度，減輕建筑自身重量，在遇到地震或強風(fēng)大雨時可以避免高層建筑的橫向剪切，提升建筑穩(wěn)定性，提高建筑的抗震抗災(zāi)實效性。通過優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)，采用先進(jìn)的工藝進(jìn)行結(jié)構(gòu)韌性的提升，從而保障人們的生命財產(chǎn)安全，規(guī)避建筑安全風(fēng)險。

2.5 建筑主體優(yōu)化設(shè)計

建筑主體優(yōu)化設(shè)計在房屋建筑結(jié)構(gòu)當(dāng)中占據(jù)重要比例和地位，其根本意義和作用在于使建筑整體更加科學(xué)精確，實施優(yōu)化過程中，借助互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)與3D 建模技術(shù)，模擬操作，使建筑整體形象更加生動可視化，借助模型了解建筑詳細(xì)參數(shù)和各項組成內(nèi)容，針對不合理的情況，進(jìn)一步整改并落到實處，避免在施工過程中出現(xiàn)誤差和損失情況。

通過這種優(yōu)化，能夠節(jié)約大量的成本費用和建筑材料，墻體設(shè)計和使用更加符合實際情況，拓寬使用面積和空間，剪力墻優(yōu)化設(shè)計應(yīng)當(dāng)符合實際需求，以穩(wěn)定性和牢固性為基礎(chǔ)前提?；炷敛牧显谑┕そㄔO(shè)當(dāng)中應(yīng)用頻繁并且廣泛，建筑物的堅固性與牢固程度，與混凝土使用配比密不可分，在進(jìn)行建筑主體優(yōu)化設(shè)計時，混凝土配制比例需要進(jìn)一步明確，混凝土施工、維護(hù)方案設(shè)計也要盡可能的詳細(xì)精確，確?；炷潦┕そㄔO(shè)科學(xué)合理，降低失誤和差錯現(xiàn)象的發(fā)生，避免重新返工等情況出現(xiàn)，設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)高度重視這一問題。工程項目建設(shè)存在人員專業(yè)水平不夠高，工程質(zhì)量無法得到徹底保障。

因此，建筑項目在整體優(yōu)化設(shè)計當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)選擇專業(yè)人員和高素質(zhì)人才進(jìn)行保障，準(zhǔn)確計算混凝土成分比例，確保配比科學(xué)合理，提高混凝土堅固性與牢固程度，保障房屋建筑的整體質(zhì)量水平。混凝土澆筑工作結(jié)束后，需要加強混凝土維護(hù)保養(yǎng)力度，以混凝土施工質(zhì)量為基礎(chǔ)，改善建筑整體質(zhì)量和安全性能。

2.6 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠度試驗

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠度試驗是指在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，檢測建筑結(jié)構(gòu)的可靠度，并且根據(jù)測試結(jié)果來評價建筑結(jié)構(gòu)的可靠度。

在施工時，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠度試驗是一項非常重要的工作內(nèi)容，它能夠準(zhǔn)確反映建筑的質(zhì)量，同時也能為后期的設(shè)計工作提供參考依據(jù)。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠度試驗主要包括兩個方面：測量建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠度、評估和分析建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠度。在分析建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠度時，設(shè)計人員可以利用可靠度計算方法來綜合評價建筑工程的整體質(zhì)量和安全性能，從而為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計提供可靠的參考依據(jù)。在實際工作中，在評估建筑的安全性和穩(wěn)定性時，設(shè)計人員需要考慮各種因素，例如地震、水文、地質(zhì)條件等因素（這些因素都會影響建筑物的使用年限）。因此，在設(shè)計過程中，設(shè)計人員需要充分利用相關(guān)理論知識，并且根據(jù)具體的情況確定最合適的方案以及措施，從而實現(xiàn)建筑工程效益的最大化。針對不同的設(shè)計方案，設(shè)計人員需要采取相應(yīng)的保護(hù)措施，以防止發(fā)生安全事故，從而保證人們的生命財產(chǎn)安全。除此之外，一旦發(fā)生突發(fā)事件，設(shè)計人員需要及時解決，以免造成不必要的經(jīng)濟損失。另外，設(shè)計人員必須嚴(yán)格按照規(guī)范要求來開展設(shè)計工作，避免因為人為因素而埋下安全隱患。因此，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠度試驗是做好建筑設(shè)計工作的重要保障。

結(jié)語：

房屋建筑結(jié)構(gòu)需要根據(jù)項目的特點和市場指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計，在項目前期設(shè)計階段，設(shè)計人員要對實地進(jìn)行勘測，分析建筑施工的安全性和可行性，根據(jù)地形特點和土地面積進(jìn)行針對化設(shè)計，科學(xué)合理的進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，根據(jù)建筑高度進(jìn)行間距規(guī)劃，保障房屋建筑每層的采陽效果。當(dāng)前高層建筑逐漸成為行業(yè)內(nèi)的主流，隨著建筑層數(shù)越來越多，建筑高度不斷增加，實現(xiàn)了土地資源的合理化利用。但是層數(shù)的增加，導(dǎo)致管道設(shè)備使用數(shù)量和成本增加，建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和地基都需要進(jìn)行優(yōu)化，使用的施工材料數(shù)量增多，成本也不斷上漲。因此科學(xué)合理設(shè)計建筑結(jié)構(gòu)，根據(jù)建筑的用途進(jìn)行層數(shù)的設(shè)定，并根據(jù)周圍建筑環(huán)境和生態(tài)環(huán)境進(jìn)行高度和間距的設(shè)計，使得房屋建筑更加具備舒適性與合理性。采用新型環(huán)保材料，降低建筑自重，提高建筑的保溫效果和隔音效果，提升建筑結(jié)構(gòu)的剛度，確保建筑結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定，促進(jìn)建筑行業(yè)的健康態(tài)發(fā)展。