建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的數(shù)字化應(yīng)用

簡(jiǎn)述了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中數(shù)字化應(yīng)用的意義，通過(guò)幾個(gè)案例展示了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中數(shù)字化應(yīng)用的情景和思路，最后總結(jié)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中符合數(shù)據(jù)思維的數(shù)字化應(yīng)用的核心思想。

數(shù)據(jù)思維; 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì); 數(shù)字化應(yīng)用

TU201.4 A

［定稿日期］2022-07-12

［作者簡(jiǎn)介］邱賢波（1985—），男，碩士，工程師，長(zhǎng)期從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

21世紀(jì)是互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，是知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代，隨著各學(xué)科和計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展，正在高速進(jìn)入數(shù)字化時(shí)代。以互聯(lián)網(wǎng)+、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)應(yīng)用為代表的新經(jīng)濟(jì)的提出，各行各業(yè)競(jìng)相進(jìn)行數(shù)字化改革和發(fā)展，數(shù)字化已成為新的時(shí)代發(fā)展主題和趨勢(shì)。為融入數(shù)字化時(shí)代的發(fā)展趨勢(shì)，作為新時(shí)代的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)具備數(shù)據(jù)思維［1］。

1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的數(shù)字化應(yīng)用

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員在結(jié)構(gòu)布置與選型上，要滿足相應(yīng)的規(guī)范和概念設(shè)計(jì)的原則［2-4］，保證結(jié)構(gòu)的安全合理，通過(guò)相關(guān)專家的評(píng)審。對(duì)于業(yè)主來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能合理地降低土建部分的造價(jià)或滿足更有利的使用功能，就相當(dāng)于是為項(xiàng)目創(chuàng)造了附加價(jià)值。根據(jù)數(shù)據(jù)思維的方法論，結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，采用一定的數(shù)據(jù)分析方法，能兼顧上述2個(gè)目標(biāo)，做出保證安全、經(jīng)濟(jì)適用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，既能提升建筑結(jié)構(gòu)的效用，也有助于建筑工程節(jié)能減排。以下將結(jié)合具體的案例情景，展示結(jié)構(gòu)方案的數(shù)字化應(yīng)用思路。

2 應(yīng)用案例

2.1 案例一

某項(xiàng)目單層地下室，經(jīng)過(guò)前期與業(yè)主的討論溝通和分析比較，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和舒適性，已確定結(jié)構(gòu)方案：采用8.1 m×（7.8 m+8.1 m）組合大柱網(wǎng)，樓蓋采用加腋梁+加腋大板形式，除梁的縱筋采用四級(jí)鋼外，其余鋼筋均采用三級(jí)鋼?，F(xiàn)針對(duì)此樓蓋形式進(jìn)行構(gòu)件的精細(xì)化設(shè)計(jì)分析，以比選出從經(jīng)驗(yàn)出發(fā)并滿足規(guī)范要求的最優(yōu)構(gòu)件截面組合。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，選定了幾種加腋大板和加腋梁的常用尺寸，然后按構(gòu)件尺寸并有側(cè)重地進(jìn)行組合確定各對(duì)比方案，分別計(jì)算各方案并統(tǒng)計(jì)結(jié)構(gòu)材料量，通過(guò)編寫程序，從各方案的計(jì)算模型文件夾里的相應(yīng)文件中快速讀取混凝土用量、三級(jí)鋼用量、四級(jí)鋼用量，再將這些數(shù)據(jù)分別剩上業(yè)主提供材料單價(jià)，除以試算結(jié)構(gòu)面積，便可得到各方案的單位面積下結(jié)構(gòu)材料成本價(jià)格用于比選。各方案基于同一個(gè)計(jì)算模型來(lái)修改構(gòu)件尺寸，保證同等條件下的可對(duì)比性，在Excel中對(duì)各方案得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最終通過(guò)圖表可以很直觀地呈現(xiàn)最優(yōu)比選方案，如圖1～圖3所示。此方法同樣適用于其他擬定結(jié)構(gòu)方案條件下的經(jīng)濟(jì)性比選分析。

2.2 案例二

某項(xiàng)目一典型框架核心筒的商業(yè)+酒店綜合樓，經(jīng)試算可知外圈框架柱截面尺寸為軸壓比控制。為了減小對(duì)建筑使用空間的占用，也保證第二道抗震防線的有效性，柱截面從底層至頂層可采取據(jù)層高及功能分段（4層及以上為一段）逐步收小，概念上柱收小截面的起始層要避免混凝土強(qiáng)度同時(shí)變小，柱截面收小至最小尺寸限值后不再收小。按位置對(duì)稱或受力情況相似的柱進(jìn)行分組，通過(guò)編寫程序，可從計(jì)算模型文件夾里的相應(yīng)文件中讀出各組代表柱的尺寸、軸壓比、剪跨比、混凝土等級(jí)、抗震等級(jí)等，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代反算可得出更接近于受限軸壓比的柱截面尺寸，然后按迭代計(jì)算所得柱尺寸修改計(jì)算模型再計(jì)算，反復(fù)幾次即可得出滿足計(jì)算要求的各分段優(yōu)化柱尺寸，如圖4、圖5所示。因柱截面變化內(nèi)力調(diào)整重分配有個(gè)別柱截面軸壓比較小超限時(shí)可采用加密箍筋來(lái)提高軸壓比限值要滿足規(guī)范要求，這樣可以保證柱尺寸統(tǒng)一，便對(duì)建筑使用條件統(tǒng)一，增大建筑使用面積。此方法同樣適用于低設(shè)防烈度地區(qū)剪力墻長(zhǎng)度受軸壓比控制時(shí)的墻長(zhǎng)優(yōu)化分析。

2.3 案例三

某項(xiàng)目一高層剪力墻結(jié)構(gòu)，因建筑方案及業(yè)主要求，結(jié)構(gòu)布置要滿足使用上大空間使用或未來(lái)隔墻打通改造的要求，因項(xiàng)目處于非高烈度區(qū)，樓層數(shù)不多，滿足建筑功能要求后的剪力墻布置以軸壓比控制為主，地震作用下的位移角有較多富余。為兼顧經(jīng)濟(jì)性要求，在結(jié)構(gòu)平面布置已確定條件下，重新調(diào)整優(yōu)化剪力墻的布置，在滿足其他各項(xiàng)計(jì)算指標(biāo)的前提下，對(duì)比3個(gè)剪力墻布置方案的經(jīng)濟(jì)性和位移指標(biāo)，如圖6、圖7所示。在滿足各項(xiàng)計(jì)算指標(biāo)條件下，重點(diǎn)調(diào)整優(yōu)化某一計(jì)算指標(biāo)，同時(shí)對(duì)比經(jīng)濟(jì)性數(shù)據(jù)，以達(dá)到優(yōu)選出滿足規(guī)范要求并兼顧經(jīng)濟(jì)性要求的結(jié)構(gòu)布置方案的綜合目標(biāo)。此方法同樣適用于超限分析或?qū)ｍ?xiàng)分析時(shí)各種計(jì)算指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分析。

3 結(jié)束語(yǔ)

從以上案例可以看出：結(jié)合以往豐富的項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，可以找出對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案各目標(biāo)影響重大的關(guān)鍵數(shù)據(jù)；利用高效便捷的數(shù)據(jù)分析方法，可以快速分析得出具體項(xiàng)目條件下的方案性結(jié)論。符合數(shù)據(jù)思維的數(shù)字化應(yīng)用需要符合2點(diǎn)：①能找出核心影響因素X與價(jià)值目標(biāo)Y之間的聯(lián)系，把問(wèn)題變成數(shù)據(jù)可分析問(wèn)題；②采用各種數(shù)據(jù)分析辦法，做出可操作性強(qiáng)的數(shù)據(jù)分析的產(chǎn)品化成果。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中不缺乏數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)有限元分析計(jì)算模型、計(jì)算分析結(jié)果、構(gòu)件設(shè)計(jì)驗(yàn)算等會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，有未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)的BIM模型中也含有大量數(shù)據(jù)（更多用于各專業(yè)各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的整合與共享），有了豐富的數(shù)據(jù)才為數(shù)據(jù)分析創(chuàng)造了條件。但要提出目標(biāo)評(píng)價(jià)指標(biāo)、找出關(guān)聯(lián)的核心影響因素?cái)?shù)據(jù)并不容易，需要結(jié)合業(yè)主的材料采購(gòu)，施工方法、時(shí)間進(jìn)度管控、項(xiàng)目結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、場(chǎng)地情況等眾多因素綜合考慮，這要求設(shè)計(jì)人員要有豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和樂于探索的精神。有了這些關(guān)鍵數(shù)據(jù)后，就可以借助于各種數(shù)據(jù)分析方法（如：回歸分析、深度學(xué)習(xí)、人工智能等）進(jìn)行數(shù)據(jù)分析了。會(huì)進(jìn)行分析還不夠，在高速發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代背景下，還需要設(shè)計(jì)人員有一定的編程能力［5］，會(huì)編寫一些便捷適用的程序或軟件，做出可操作的快速的批量的數(shù)字化應(yīng)用成果，實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目提效增益的商業(yè)價(jià)值，從而一步步推動(dòng)建筑設(shè)計(jì)行業(yè)的數(shù)字化發(fā)展。

需要強(qiáng)調(diào)的是，不同于第三方優(yōu)化咨詢和計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化工具，本文所述結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)優(yōu)化數(shù)字化應(yīng)用更注重發(fā)揮作為設(shè)計(jì)主體責(zé)任人的設(shè)計(jì)人員的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)和主觀能動(dòng)性，是一種主動(dòng)的更靈活的一般性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)字化應(yīng)用思路，筆者認(rèn)為這更符合未來(lái)常態(tài)化的數(shù)字化應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

［1］ 王漢生. 數(shù)據(jù)思維［M］. 北京：中國(guó)人民大學(xué)出版社，2017.

［2］ 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范： GB50010-2010（2015年版）［M］. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2015.

［3］ 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范： GB50011-2010（2016年版）［M］. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2016.

［4］ 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程： JGJ3-2010［M］. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

［5］ 羅剛君.Excel VBA程序開發(fā)自學(xué)寶典（第2版）［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.