淺談結(jié)構(gòu)優(yōu)化在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

孫久暉

【摘 要】在當(dāng)前的建筑工程中，最為常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式有：框架結(jié)構(gòu)、框剪結(jié)構(gòu)、框剪結(jié)構(gòu)等。不管設(shè)計(jì)怎樣的結(jié)構(gòu)形式，其造價(jià)都占有非常大的比例。為了在穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上降低其工程造價(jià)，就需要在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采取合理的措施優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)，堅(jiān)持適用、經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)原則，制定合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，從而最大限度的降低工程造價(jià)，并提高建筑的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。本文就結(jié)構(gòu)優(yōu)化在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用作簡(jiǎn)要論述，以供相關(guān)技術(shù)人員參考。

【關(guān)鍵詞】結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；建筑結(jié)構(gòu)；優(yōu)化技術(shù)

近年來(lái)，隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，城市用地面積越來(lái)越緊張，這就導(dǎo)致了城市土地的價(jià)格不斷上漲，給房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)商帶來(lái)了巨大的壓力。另外，由于人民生活水平的不斷提高，對(duì)于建筑物的要求也越來(lái)越高。房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)商要想在降低工程造價(jià)的基礎(chǔ)上滿足人們的高需求，就需要在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)，盡量提高建筑空間與資源的利用價(jià)值，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性和適用性的目標(biāo)。

1.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的應(yīng)用及實(shí)踐價(jià)值

1.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的應(yīng)用

設(shè)計(jì)師在對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，主要分為兩個(gè)方面的設(shè)計(jì)：建筑工程整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及建筑工程局部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。通常來(lái)說(shuō)，建筑工程局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要包括基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、屋頂結(jié)構(gòu)、護(hù)圍結(jié)構(gòu)以及建筑結(jié)構(gòu)的各個(gè)細(xì)節(jié)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們必須要根據(jù)建筑的實(shí)際情況出發(fā)，從結(jié)構(gòu)的選型、布局、受力特點(diǎn)、工程造價(jià)等各個(gè)方面進(jìn)行分析，然后根據(jù)相關(guān)規(guī)定要求來(lái)制定一個(gè)合理的設(shè)計(jì)方案，從而提高建筑的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

1.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的實(shí)踐價(jià)值

在設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，首先我們需要考慮到建筑結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)遠(yuǎn)效益，所以在設(shè)計(jì)中應(yīng)該盡量減少近期的投資，這樣可以有效的提高建筑結(jié)構(gòu)的安全可靠性。相對(duì)于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，采用這種結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)有利于降低工程的造價(jià)，提高了建筑材料與資源的利用價(jià)值，能夠?qū)⒔ㄖY(jié)構(gòu)與內(nèi)部各部位具有協(xié)調(diào)性，從而滿足了國(guó)家的規(guī)范要求。另外，采用這種結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)還能夠合理的決策建筑的設(shè)計(jì)方案，使建筑結(jié)構(gòu)達(dá)到適用、安全、經(jīng)濟(jì)的目的。

2.民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與經(jīng)濟(jì)性的關(guān)系

2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與用地的關(guān)系

目前，隨著城市化建設(shè)的不斷發(fā)展，高層、多層、大跨度建筑迅速崛起。我們通常所說(shuō)的建筑總面積也就是各層樓建筑面積的總和，也就是說(shuō)，在一些多層或者高層建筑中，如果層數(shù)多的話，那么每一層樓的占地面積就會(huì)相應(yīng)減少。現(xiàn)階段，我國(guó)城市中的建筑越來(lái)越高，這就要求各個(gè)建筑必須要有足夠的間距，所以說(shuō)，建筑的層數(shù)與城市的用地面積沒(méi)有太大的關(guān)系。

2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與造價(jià)的關(guān)系

建筑層數(shù)或者高度直接影響到整個(gè)工程的造價(jià)，但是不同的建筑結(jié)構(gòu)形式對(duì)于工程造價(jià)的影響程度也就不同。在建筑的屋頂結(jié)構(gòu)中，無(wú)論需要蓋多少層樓，都是共用一個(gè)屋蓋，這個(gè)屋蓋的造價(jià)是根據(jù)每一個(gè)建筑的實(shí)際情況而定的，并不會(huì)隨著建筑層數(shù)的增加而增加。反之，屋蓋的造價(jià)會(huì)隨著建筑層數(shù)的遞增而逐漸降低。在建筑的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中，由于一項(xiàng)建筑工程只需要制作一個(gè)地基，它與建筑層數(shù)也呈反比。而在建筑的護(hù)圍結(jié)構(gòu)中，建筑層數(shù)越高，我們就越需要對(duì)其加強(qiáng)質(zhì)量的控制，不僅需要提高建筑物的承載力，還需要增強(qiáng)建筑的抗震能力，所以這就增加了建筑的工程造價(jià)。

2.3高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與經(jīng)濟(jì)性的關(guān)系

住宅的層高直接影響住宅的造價(jià)，因?yàn)閷痈咴黾?，墻體面積和柱體積增加，并增加結(jié)構(gòu)的自重，會(huì)增加基礎(chǔ)和柱的承載力，并使水衛(wèi)和電氣的管線加長(zhǎng)。降低層高，可節(jié)省材料、節(jié)約能源，有利于抗震，節(jié)省造價(jià)。同時(shí)，除降低層高可以減少住宅建筑總高度，縮小建筑之間的日照距離，所以降低層高能也取得節(jié)約用地的效果。

在相同建筑面積時(shí)，住宅建筑平面形狀不同，住宅的外墻周長(zhǎng)系數(shù)也不相同。顯然平面形狀越接近方形或圓形外墻周長(zhǎng)系數(shù)越小外墻砌體、基礎(chǔ)、內(nèi)外表面裝修等也隨之減少，并且受力性能好，造價(jià)會(huì)降低?？紤]到住宅的使用功能和方便性，通常單體住宅建筑的平面形狀多為矩形。

3.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1直覺(jué)優(yōu)化（概念設(shè)計(jì)優(yōu)化）技術(shù)與建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于同一建筑方案，可以有許多不同的結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)；確定了結(jié)構(gòu)布置的建筑物，即使在同種荷載情況下也存在不同的分析方法；分析過(guò)程中設(shè)計(jì)參數(shù)、材料、荷載的取值也不是惟一的：建筑物細(xì)部的處理更是不盡相同，這些問(wèn)題是計(jì)算機(jī)無(wú)法完全解決的都需要設(shè)計(jì)人員自己作出判斷。而判斷只能在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般規(guī)律指導(dǎo)下，根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，這便是前面所說(shuō)的概念設(shè)計(jì)。因此，概念設(shè)計(jì)存在于設(shè)計(jì)師對(duì)多種備選方案進(jìn)行選擇的過(guò)程中。

3.2概念設(shè)計(jì)處理的實(shí)際建筑設(shè)計(jì)問(wèn)題

概念設(shè)計(jì)所要處理的問(wèn)題多種多樣。但可以肯定的是希望通過(guò)概念設(shè)計(jì)，建筑結(jié)構(gòu)能在各種不期而遇的外部作用下不受破壞，或?qū)⑵茐某潭冉抵磷畹汀Ｒ虼?，分析如何?yīng)付建筑物可能遭遇的各種不確定因素成為概念設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。其中，地震作用最為難以琢磨，破壞性也最大。故而'建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中就應(yīng)該未雨綢繆，從計(jì)算及構(gòu)造等各個(gè)方面都要采取一些有助于提高抗震能力的措施，不利于抗震的作法則應(yīng)盡量避免。剛度均勻、對(duì)稱是減小地震在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生不利影響的重要手段：延性設(shè)計(jì)則能有效地防止結(jié)構(gòu)在地震作用下發(fā)生脆性破壞；多道設(shè)防思想能使建筑在特大地震作用下次要的構(gòu)件先破壞，消耗一部分地震能量。這些抗震設(shè)防思想在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中都應(yīng)該作為概念設(shè)計(jì)的重要指導(dǎo)思想。

4.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的現(xiàn)實(shí)意義

進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提高建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性。建筑的層高增加，由于墻體面積和柱體積增加，結(jié)構(gòu)的自重會(huì)增加，基礎(chǔ)和柱的承載力相應(yīng)增加，水衛(wèi)和電氣的管線會(huì)加長(zhǎng)；相反降低層高，可節(jié)省材料，有利用抗震，同時(shí)建筑的總高度減小，兩建筑之間的日照距離就會(huì)減小，間接的節(jié)約了用地。建筑面積相同，建筑使用不同的平面形狀時(shí)，它的外墻周長(zhǎng)也就會(huì)不同，這樣當(dāng)選擇圓形或是越接近于方形時(shí)，外墻周長(zhǎng)系數(shù)就越小，基礎(chǔ)、外墻砌體、內(nèi)外表面裝修都隨之減少，同時(shí)其受力性能也得到提高，增強(qiáng)了建筑的經(jīng)濟(jì)性能。

5.結(jié)語(yǔ)

建筑是凝固的藝術(shù)，建筑師總是希望通過(guò)建筑物表達(dá)自己的設(shè)計(jì)意圖，力求藝術(shù)性和實(shí)用性的完美結(jié)合。結(jié)構(gòu)師在保證安全性的前提下，當(dāng)然應(yīng)該敢于挑戰(zhàn)新的結(jié)構(gòu)形式，使建筑師的意圖得以實(shí)現(xiàn)。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，在基本滿足建筑師設(shè)計(jì)意圖的基礎(chǔ)上，平面布置應(yīng)盡量規(guī)則，對(duì)稱，盡量縮小質(zhì)量中心和剛度中心的差異：使建筑物在水平荷載作用下不致產(chǎn)生太大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。豎向布置上，在滿足功能要求的前提下，盡量使豎向承重構(gòu)件上下貫通；能不使用轉(zhuǎn)換層的就應(yīng)避免使用，以減小結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)上的困難，另外也不經(jīng)濟(jì)，還容易造成應(yīng)力集中；豎向剛度最好不要突變，而要漸變，否則突變處在水平荷載作用下會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，這對(duì)結(jié)構(gòu)抵抗水平動(dòng)力荷載是十分不利的。

【參考文獻(xiàn)】

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