關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的探討

葉丹

摘要：隨著社會主義市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國建筑事業(yè)逐漸發(fā)展，國家建立節(jié)約型社會理念的不斷深入，建筑的需求者與供應(yīng)者都對建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出了更高的要求。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)逐漸形成了安全、經(jīng)濟(jì)、適用、美觀、便于施工的原則。

關(guān)鍵詞：建筑；結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

近年來，節(jié)能環(huán)保型社會建設(shè)理念的不斷深入人心，進(jìn)一步加劇了建筑的需求者與供應(yīng)者對建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的需要。隨著我們社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，工程投資者追求成本最低化的要求日趨緊迫化，因此必須采用有效地優(yōu)化設(shè)計(jì)方法達(dá)到降低建筑成本的目的。

1.建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的意義

1.1降低工程造價(jià)

為了達(dá)到結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的，工程設(shè)計(jì)人員必須在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，通過對建筑結(jié)構(gòu)的理性分析，采用合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)理念和方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得能有效地控制工程造價(jià)，滿足投資方的經(jīng)濟(jì)要求。通過以往的優(yōu)化設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來看，相比于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，優(yōu)化設(shè)計(jì)通?？梢赃_(dá)到降低工程造價(jià)5%～30%的目的。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)房屋的建造地點(diǎn)、層數(shù)多少、平立面體形，在滿足耐久性#安全性和舒適性要求的前提下采用經(jīng)濟(jì)又合理的結(jié)構(gòu)體系，在構(gòu)件設(shè)計(jì)中應(yīng)該精打細(xì)算，要嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)范構(gòu)造要求，注意避免不必要的鋪張浪費(fèi)。尤其是在地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中更要注意此方案的經(jīng)濟(jì)比較，因?yàn)榈鼗A(chǔ)的設(shè)計(jì)方案是否合理對房屋造價(jià)非常重要。

1.2節(jié)約能源

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的環(huán)保性是繼經(jīng)濟(jì)性之后的一大更高要求，建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程通過材料選用品種的環(huán)保、整體布局的環(huán)保來體現(xiàn)可持續(xù)的發(fā)展理念。在建筑資源的材料選用方面，在保證建筑本體功能性、安全性的基礎(chǔ)上，最大可能的選擇節(jié)能環(huán)保型材料，同時(shí)，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的整體布局中，不僅強(qiáng)調(diào)建筑主體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一與環(huán)保，也包括建筑建設(shè)過程中廢舊材料的處理與應(yīng)用，更不能忽略建筑未來使用過程中對環(huán)境產(chǎn)生的重要影響。另外，材料選用的環(huán)保、整體布局的環(huán)保也是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中安全性的體現(xiàn)。

2.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求

2.1安全性方面的要求

住宅實(shí)行商品化后，應(yīng)為住戶的耐用消費(fèi)品，使用壽命長是區(qū)別其他消費(fèi)品的最大特點(diǎn)"因此，結(jié)構(gòu)耐久性和安全性是住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最基本的要求"結(jié)構(gòu)體系的選擇以及材料的選用，都應(yīng)有利于抗風(fēng)抗震，以及使用壽命期間改造維修的可能性"建筑作為人類生存的基礎(chǔ)生存環(huán)境，與人類的生產(chǎn)！生活緊密相關(guān)，安全性成為建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的必然考慮因素"一味追求建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，忽略決策階段！設(shè)計(jì)階段！建設(shè)階段的安全性，其作為建筑不但沒有任何實(shí)際意義，反而會給人類正常生產(chǎn)和生活帶來致命的危害"因此，安全性是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的必然考慮因素"

2.2舒適性方面的要求

建筑是人類的基礎(chǔ)物質(zhì)生存環(huán)境，建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的終極目標(biāo)就是為了滿足人類對物質(zhì)生存環(huán)境的最大化需求。對功能性的滿足也不再局限于傳統(tǒng)的實(shí)用性功能，而是增添了舒適性、美觀性、協(xié)調(diào)性等多種新元素，滿足人類對基礎(chǔ)物質(zhì)生存環(huán)境的更高要求。住宅建筑設(shè)計(jì)應(yīng)為住戶起居舒適性的要求提供條件。

1.3經(jīng)濟(jì)性方面的要求

建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性是市場經(jīng)濟(jì)條件下對資源配置提出的新要求。經(jīng)濟(jì)性是指通過建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，最大化的節(jié)約各種材料資源，達(dá)到減少建設(shè)成本的目標(biāo)。另外，各種材料資源都存在一定的稀缺特性，建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)能科學(xué)合理的減少材料的使用量，節(jié)省建設(shè)材料使用成本。

3.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的措施

3.1選擇方案

加強(qiáng)設(shè)計(jì)中建筑結(jié)構(gòu)形式的選用不同的建筑類別和功能要求決定了戶型的選擇，從砌體結(jié)構(gòu)和底部剪力墻結(jié)構(gòu)談起。加強(qiáng)砌體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。作為承重構(gòu)件和抗側(cè)移構(gòu)件的磚砌體，其平面布置較為靈活，但不宜做躍層結(jié)構(gòu)，杜絕受力大的突兀結(jié)構(gòu)形式。門窗開洞寬度不宜超過2.1m，縱向墻體數(shù)量不宜少于三道，這一措施可以適當(dāng)減少構(gòu)造柱的配筋。加強(qiáng)底部框架剪力的設(shè)計(jì)。底部框架剪力墻結(jié)構(gòu)由于豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)，使得設(shè)計(jì)中受力平衡容易出現(xiàn)問題因此對建筑平面的要求較為嚴(yán)格。承重墻盡量放在框架梁上，如果出現(xiàn)放在次梁上的墻體時(shí)，應(yīng)加大該次梁、主梁、框架梁的配筋，加厚該處的樓板厚度。結(jié)構(gòu)樓板不能隨便錯層，只有在樓板上填輕質(zhì)材料實(shí)現(xiàn)的方式才可行。戶型設(shè)計(jì)中宜讓大房間布置在臨街面，衛(wèi)生間、廚房等小房間布置在背面，這樣方便臨街面柱網(wǎng)的布置等。

3.2設(shè)計(jì)方案

剪力墻設(shè)計(jì)中連梁的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。聯(lián)肢墻是通過連梁連接的各墻肢聯(lián)結(jié)而成，從而增加了墻肢的約束條件。連梁的剛度增大必將使得結(jié)構(gòu)的地震作用也增大，這樣連梁和墻肢分配內(nèi)力也相應(yīng)增大，此時(shí)必須增大構(gòu)件的配筋量，顯然這一設(shè)計(jì)結(jié)果必然會造成材料的浪費(fèi)。因此，在住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師都不會采用大剛度的窗下墻作為連梁，而宜將連梁設(shè)計(jì)成為截面、剛度較小的弱連梁。同時(shí)，在滿足結(jié)構(gòu)剛度與變形要求時(shí)，應(yīng)從經(jīng)濟(jì)角度與抗力、變形方面綜合考慮，合理布置抗側(cè)力構(gòu)件。顯然，剪力墻數(shù)量越多，結(jié)構(gòu)抗側(cè)力剛度愈大，相應(yīng)結(jié)構(gòu)位移會減小，但是結(jié)構(gòu)地震力會隨抗側(cè)力剛度增大而加大，對結(jié)構(gòu)的造價(jià)控制不利。因此剪力墻應(yīng)以周邊均勻、對稱、分散等原則合理布置，以規(guī)范規(guī)定的水平位移限值為準(zhǔn)盡可能減少剪力墻數(shù)量。

3.3優(yōu)化方案

在注重整體設(shè)計(jì)的同時(shí)，也應(yīng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)局部構(gòu)件的精細(xì)設(shè)計(jì)。比如現(xiàn)澆板設(shè)計(jì)中盡量把異形板劃分為矩形板，這樣既達(dá)到合理受力的目的，也避免了拐角裂縫的出現(xiàn)。再者，底部框架抗震墻的底框梁箍筋配箍量一般較大，此時(shí)若選用冷軋帶肋鋼筋作為箍筋，便可減少箍筋肢數(shù)或箍筋直徑，達(dá)到造價(jià)的降低以及施工的方便化。還有，為減少底部截面，采用高強(qiáng)度的混凝土是柱構(gòu)件不錯的選擇，但是水平構(gòu)件混凝土可適當(dāng)減少混凝土的標(biāo)號，滿足了受力要求，也節(jié)約了成本。此外，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論的結(jié)合，基于計(jì)算仿真的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路已經(jīng)在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。通過利用計(jì)算機(jī)分析軟件建立優(yōu)化設(shè)計(jì)的分析模型，采用高效的計(jì)算機(jī)優(yōu)化計(jì)算方法，設(shè)立結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到的目標(biāo)要求，最終實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化目的。在具體的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)際上已經(jīng)由一個工程問題轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€數(shù)學(xué)問題。在大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，基于這一思想的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法具有其他算法無法替代的優(yōu)勢。因此，工程設(shè)計(jì)人員加強(qiáng)基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析非常必要。總之，真正合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路一方面要節(jié)省工程成本，同時(shí)更應(yīng)該提高建筑結(jié)構(gòu)的安全等級，為了實(shí)現(xiàn)次目標(biāo)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員要充分利用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的概念特點(diǎn)以及有效地設(shè)計(jì)分析方法，通過高效精細(xì)化的設(shè)計(jì)使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)真正達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)效果。

4.結(jié)語：

所謂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，就是指工程結(jié)構(gòu)在滿足約束條件下按預(yù)定目標(biāo)求出最優(yōu)方案的設(shè)計(jì)方法。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，合理的結(jié)構(gòu)方案決定了整個設(shè)計(jì)的好壞成敗。因?yàn)閷ν粋€建筑設(shè)計(jì)方案而言，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不是唯一的，不同方案會使工程質(zhì)量和工程造價(jià)產(chǎn)生很大差別。進(jìn)行正確的結(jié)構(gòu)計(jì)算，一體化計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程序的應(yīng)用和完善，幫助結(jié)構(gòu)工程師能越來越輕松的進(jìn)行計(jì)算分析，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加經(jīng)濟(jì)和合理。要提高材料的利用率，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的就是花盡可能少的錢，做最安全適用建筑，這就要求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)對材料選用要合理，利用要充分"還有，要正確合理的運(yùn)用和理解，其是我們設(shè)計(jì)中必須遵循的標(biāo)準(zhǔn)，是國家技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策，科技水平以及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。