探究結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在建筑工程設(shè)計(jì)中的意義和應(yīng)用*

王 波

(甘肅土木工程科學(xué)研究院有限公司 蘭州 730020)

新的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展形勢(shì)背景下,為提高建筑工程的質(zhì)量和水平,設(shè)計(jì)人員需積極優(yōu)化整體建筑結(jié)構(gòu),促使建筑工程項(xiàng)目更加安全、穩(wěn)定、美觀,并且充分滿足各方需求。設(shè)計(jì)建筑工程項(xiàng)目過程中,設(shè)計(jì)人員應(yīng)積極優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作,系統(tǒng)考量如何形成更完善的設(shè)計(jì)體系,提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果。

1 建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法概述

所謂建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法,具體指的是設(shè)計(jì)人員在系統(tǒng)考慮施工便利的基礎(chǔ)上,融入美學(xué)、藝術(shù)學(xué)內(nèi)容,并考慮房屋功能、建設(shè)目的等內(nèi)容的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),需要選擇外形比較美觀與安全的相關(guān)方案模型[1],進(jìn)而提高建筑工程質(zhì)量水平,以此逐漸達(dá)到提高建筑安全性、美觀性并控制建設(shè)成本的目的。設(shè)計(jì)人員在開展建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)工作時(shí),應(yīng)優(yōu)選建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方式,其具體內(nèi)容,如圖1所示。

圖1 建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案模式

建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)包含如下:一是該方式融合了各個(gè)學(xué)科,包含的知識(shí)面整體較廣泛;二是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法對(duì)建筑外形的美觀性提出了比較高的要求;三是根據(jù)此方法建設(shè)出來的建筑物質(zhì)量安全系數(shù)比較高;四是相對(duì)節(jié)能環(huán)保,可充分滿足建筑經(jīng)濟(jì)性的相關(guān)要求,逐漸達(dá)到保護(hù)環(huán)境的目的;五是設(shè)計(jì)思路比較新穎,并且結(jié)構(gòu)形式也比較創(chuàng)新。由此可知,對(duì)比傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的優(yōu)勢(shì)非常顯著,因此設(shè)計(jì)人員應(yīng)應(yīng)積極將其應(yīng)用并推廣到建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。

2 我國(guó)建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

目前,我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)取得了較好的成績(jī),但是在部分建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中,難免出現(xiàn)成本超預(yù)算、過于追求設(shè)計(jì)而忽略建筑美觀性的問題,例如部分工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)的周期比較短,而設(shè)計(jì)的任務(wù)又十分繁雜,因此部分設(shè)計(jì)人員只得將注意力集中到設(shè)計(jì)圖紙、方案預(yù)編方面,在一定程度上忽視了工程施工成本的預(yù)算。還有一部分設(shè)計(jì)人員,雖然會(huì)考慮工程成本的相關(guān)問題,但因?yàn)槭褂玫脑O(shè)計(jì)方案不符合成本控制的要求,也會(huì)直接導(dǎo)致控制效果變差;部分設(shè)計(jì)人員比較關(guān)注設(shè)計(jì)美觀性,較忽視建筑舒適度的設(shè)計(jì),由此不但會(huì)降低建筑應(yīng)用性,甚至?xí)?duì)整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、安全性等造成顯著的不良影響。而因?yàn)槭┕と藛T大多是農(nóng)民工,專業(yè)素質(zhì)相對(duì)不高,在施工建設(shè)時(shí)需無法嚴(yán)謹(jǐn)依據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行施工,由此致使房屋建筑結(jié)構(gòu)的抗震性、施工強(qiáng)度等較低,甚至對(duì)建筑結(jié)構(gòu)部件負(fù)荷承載能力等造成不良影響,使得整體工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)無法和規(guī)范要求保持一致。另外,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案合理與否始終都是科研人員、工程師們重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容,但因?yàn)閮蓚€(gè)群體研究問題的出發(fā)點(diǎn)、研究方法與思維等的差異,導(dǎo)致理論研究與工程具體需求無法完全吻合,導(dǎo)致判斷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案是否合理的標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、缺乏實(shí)操性等[2]。

3 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的意義

為滿足人們的生活與工作需求,建筑應(yīng)具備多種功能。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展進(jìn)步,人們的物質(zhì)生活水平也在日漸提高,無論是民用建筑還是工業(yè)建筑都面臨著較高的建設(shè)要求,由此也對(duì)建筑工程設(shè)計(jì)提出了比較高的要求。建筑功能性主要通過建筑方案體現(xiàn)出來,結(jié)構(gòu)方案則是決定建筑方案是否可行的根本條件,兩者之間的關(guān)系是相互制約與促進(jìn)的。只有保證二者協(xié)調(diào)統(tǒng)一,才可設(shè)計(jì)出優(yōu)秀的設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),需綜合考量氣候環(huán)境、地質(zhì)條件等,利用科學(xué)的結(jié)構(gòu)體系、構(gòu)件布置等,逐步達(dá)到建筑想要表達(dá)的最終效果。而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化則是在建筑與結(jié)構(gòu)互相成就的基礎(chǔ)上,獲得更多的可能性,實(shí)現(xiàn)建筑與結(jié)構(gòu)的整體統(tǒng)一和優(yōu)化(見圖2)。

圖2 某外墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

目前,民用建筑與工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)的類型主要包括鋼混結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)等。建筑行業(yè)在不斷發(fā)展進(jìn)步,建筑設(shè)計(jì)企業(yè)的整體競(jìng)爭(zhēng)力也日漸增強(qiáng),為盡可能在激烈化的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中形成發(fā)展優(yōu)勢(shì),相關(guān)單位要積極推動(dòng)建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì),以此不斷提高建筑物的新意,并且保證其性價(jià)比的合理性,由此實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)的良性發(fā)展。在目前建筑行業(yè)的轉(zhuǎn)型發(fā)展環(huán)節(jié)中,實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化是非常關(guān)鍵途徑之一,有利于提高工程質(zhì)量,達(dá)到建筑行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展建設(shè)目標(biāo)。工程質(zhì)量是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)條件,為逐步實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)的優(yōu)化改革發(fā)展,需要設(shè)計(jì)人員在改善設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上,創(chuàng)建堅(jiān)實(shí)的建筑行業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在建筑工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用措施

4.1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

4.1.1 結(jié)構(gòu)整體布局的優(yōu)化

建筑形體需求與功能布置為結(jié)構(gòu)整體布局設(shè)定了宏觀層面的需求,但這無法限制結(jié)構(gòu)整體布局多樣性,相同的建筑方案可適用于各種結(jié)構(gòu)方案。但要有效發(fā)揮結(jié)構(gòu)整體布局靈活性,需從點(diǎn)到線,再到面,從各個(gè)角度形成對(duì)建筑方案內(nèi)在邏輯的深層次理解,之后有的放矢選擇合理的結(jié)構(gòu)承重體系、抗側(cè)力體系等,合理設(shè)置結(jié)構(gòu)的特殊承載部位,逐步實(shí)現(xiàn)整個(gè)結(jié)構(gòu)與局部構(gòu)件在承載中的統(tǒng)一。

4.1.2 優(yōu)化結(jié)構(gòu)材料的選用

結(jié)構(gòu)的材料性質(zhì)將會(huì)直接影響構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等,因此在選擇材料之時(shí),需基于構(gòu)件受力性質(zhì)決定。常規(guī)受力水平的構(gòu)件,需使用對(duì)應(yīng)標(biāo)號(hào)的混凝土、對(duì)應(yīng)強(qiáng)度的鋼材。單體建筑結(jié)構(gòu)體量日漸增加,建筑的耐候要求也在不斷提高,因此其對(duì)構(gòu)件承載能力、抵抗變形的能力、抵抗外界侵蝕能力的要求也更高,隨之出現(xiàn)了高強(qiáng)混凝土、超高性能混凝土、超高強(qiáng)度鋼材等各種力學(xué)性能、物理性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)材料。因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),設(shè)計(jì)人員需系統(tǒng)考慮構(gòu)件的設(shè)計(jì)力學(xué)性能需求,對(duì)應(yīng)位置要使用相對(duì)應(yīng)的材料,發(fā)揮材料作用,以此提高材料的整體利用率。

4.2 制定科學(xué)的成本控制計(jì)劃

房屋建筑工程結(jié)構(gòu)較復(fù)雜化,并且參與工程的企業(yè)數(shù)量也比較多,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包含各個(gè)企業(yè)的效益,基于此,設(shè)計(jì)人員需就宏觀角度切入,對(duì)各個(gè)細(xì)節(jié)及要點(diǎn)進(jìn)行合理控制,將可能對(duì)工程進(jìn)度、費(fèi)用控制等產(chǎn)生的影響降到最低。建筑工程開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)時(shí),需依據(jù)建筑地形的具體狀況,選出最優(yōu)化的建筑形式,以此達(dá)到充分控制結(jié)構(gòu)施工埋深、截面尺寸等的目的,以此降低結(jié)構(gòu)建造可能需要投入的費(fèi)用[3]。

4.3 提高結(jié)構(gòu)布局與審美層次

在對(duì)建筑工程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí),設(shè)計(jì)人員需基于房屋建筑的具體狀況,對(duì)建筑結(jié)構(gòu)中的不足之處客觀分析,之后合理優(yōu)化設(shè)計(jì)方向,提高建筑結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)方案中的性能,將外力影響降到最低。對(duì)建筑結(jié)構(gòu)安全性產(chǎn)生影響的外力因素主要是地震,基于此,在開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的相關(guān)工作時(shí),設(shè)計(jì)人員需將抗震性能作為設(shè)計(jì)的主要切入點(diǎn),將提高結(jié)構(gòu)抗震性能作為主要目的,以此形成更科學(xué)與專業(yè)的抗震設(shè)計(jì)方案。

4.4 安全性優(yōu)化方面

對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言,安全性是其中需重點(diǎn)考慮的特點(diǎn)之一,其對(duì)之后的施工活動(dòng)、房屋建筑使用等十分必要。若是不重視安全性的保障,則會(huì)導(dǎo)致整體房屋建筑結(jié)構(gòu)缺乏安全性,甚至可能產(chǎn)生各種無法預(yù)料的損失。對(duì)一個(gè)建筑來說,其中可能包含各種構(gòu)件,并且構(gòu)件相互之間也有一定的聯(lián)系與支撐。構(gòu)件本身若是具有高度牢固性,則有能力抵御外界環(huán)境帶來的影響,令建筑結(jié)構(gòu)延展性得到保證,實(shí)現(xiàn)對(duì)外力的轉(zhuǎn)移與疏散,令建筑結(jié)構(gòu)更加安全。

建筑對(duì)抗震性能的要求整體而言比較高,若是無法滿足抗震的相關(guān)要求,一旦出現(xiàn)地震就可能導(dǎo)致嚴(yán)重的人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失。因此可知,在開展建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作時(shí),設(shè)計(jì)人員應(yīng)設(shè)計(jì)科學(xué)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,促使建筑有足夠的抗震能力。對(duì)建筑結(jié)構(gòu)而言,各個(gè)構(gòu)建承載力標(biāo)準(zhǔn)不一,在實(shí)際的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,需進(jìn)行合理的分析,依據(jù)建筑荷載變化的具體情況進(jìn)行調(diào)整[4]?；诮ㄖ男阅芘c特點(diǎn),就安全性角度進(jìn)行深入分析,讓建筑結(jié)構(gòu)更加合理與安全。

5 建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

5.1 前期設(shè)計(jì)階段

所有工程項(xiàng)目在進(jìn)入設(shè)計(jì)、施工的環(huán)節(jié)后,相關(guān)設(shè)計(jì)單位需積極做好各項(xiàng)準(zhǔn)備工作,建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)也不例外。正式推行建筑設(shè)計(jì)作業(yè)之前,設(shè)計(jì)單位應(yīng)做好各項(xiàng)準(zhǔn)備工作,對(duì)建筑工程中的各種因素進(jìn)行及時(shí)整合,令其滲透到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中去,在充分實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)能效強(qiáng)化的基礎(chǔ)上,逐漸發(fā)展形成建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的較強(qiáng)控制力,這對(duì)后續(xù)施工作業(yè)的順利開展比較方便,有助控制施工成本。不僅如此,設(shè)計(jì)人員還需形成較科學(xué)與合理的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,充分展現(xiàn)規(guī)劃要點(diǎn)的前提下,展現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化要點(diǎn)。另一方面,設(shè)計(jì)人員應(yīng)重新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的不足之處,盡可能規(guī)避建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的各種潛在風(fēng)險(xiǎn)問題,促使建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加有效。

5.2 內(nèi)部建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化為側(cè)重點(diǎn)

建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中,設(shè)計(jì)人員須把建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)看做整體,重視關(guān)注外部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同時(shí),深入研究?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作,以此為基礎(chǔ)條件開展設(shè)計(jì)作業(yè),令其逐漸落實(shí)到具體的設(shè)計(jì)工作中,客觀衡量各個(gè)施工項(xiàng)目適用標(biāo)準(zhǔn),保證整體協(xié)調(diào)性的前提下,推動(dòng)各施工項(xiàng)目達(dá)標(biāo)。例如,設(shè)計(jì)現(xiàn)澆板時(shí),設(shè)計(jì)人員應(yīng)嚴(yán)格分析澆板具體受力指標(biāo),并且對(duì)各個(gè)要素進(jìn)行客觀衡量,逐步設(shè)計(jì)整體優(yōu)化水準(zhǔn)的同時(shí),保證施工效率,降低出現(xiàn)質(zhì)量缺陷等問題的概率。

5.3 充分優(yōu)化結(jié)構(gòu)細(xì)部

設(shè)計(jì)人員應(yīng)將建筑主體設(shè)計(jì)設(shè)定在重點(diǎn)范疇,重視關(guān)注結(jié)構(gòu)基本構(gòu)建,持續(xù)提高設(shè)計(jì)精細(xì)化程度。例如,在建筑施工環(huán)節(jié)中,矩形現(xiàn)澆板塊設(shè)計(jì)發(fā)揮出了重要作用,設(shè)計(jì)人員應(yīng)在設(shè)計(jì)過程中持續(xù)豐富考量?jī)?nèi)容,促使設(shè)計(jì)更加全面的同時(shí),避免出現(xiàn)裂縫問題。隨著社會(huì)信息化技術(shù)應(yīng)用范圍的不斷拓寬,計(jì)算機(jī)在各個(gè)行業(yè)與領(lǐng)域發(fā)揮出了重要作用,設(shè)計(jì)人員需充分銜接計(jì)算機(jī)技術(shù)、設(shè)計(jì)理念,在不斷解決優(yōu)化設(shè)計(jì)中的各種問題的基礎(chǔ)上,推動(dòng)工程問題轉(zhuǎn)向數(shù)學(xué)問題。同時(shí),設(shè)計(jì)人員要積極迎合時(shí)代發(fā)展步伐,不斷優(yōu)化自我,培養(yǎng)鍛煉自己的計(jì)算機(jī)技術(shù)水平,以此才可掌握更多的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[5]。

6 結(jié)語

綜上所述,建筑工程和人們的工作、生活存在非常緊密的聯(lián)系,設(shè)計(jì)人員應(yīng)不斷提高建筑的設(shè)計(jì)質(zhì)量,逐步提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平,在有效控制建筑施工成本的同時(shí),實(shí)現(xiàn)建筑整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化。