淺論建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

王繼收

摘 要：建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在房地產(chǎn)的成本精細(xì)化管理中占據(jù)著十分重要的作用，經(jīng)過對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅可以有效的提高建筑物地安全度，且還可有效的降低工程的造價(jià)，使建筑產(chǎn)品具有更高的性價(jià)比，還能有效的實(shí)現(xiàn)投資效益的最大化。因此，加強(qiáng)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)刻不容緩。

關(guān)鍵詞：建筑工程、工程結(jié)構(gòu)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)階段

前言：隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，高層建筑得到了迅猛的增長，建筑物的商品化形勢(shì)也是逐漸加快。為實(shí)現(xiàn)利潤的最大化，必須要做好相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及規(guī)劃工作。本文主要對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行分，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

一、案例工程概況

AB本工程位于M省R市，業(yè)主要求建一幢28層（地上27層，地下1層）的高層建筑，總建筑高度82.6m，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡稱《抗規(guī)》）GB50011-2010中表6.1.2，抗震墻結(jié)構(gòu)高度小于80m時(shí)，抗震等級(jí)為四級(jí)，大于80m時(shí)，抗震等級(jí)為三級(jí)，最后經(jīng)過溝通，確定為27層的設(shè)計(jì)方案，其中地上26層，地下1層?？偨ㄖ娣e達(dá)到10138.19m2，高度達(dá)79.60m。

二、建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的原則

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅包括建筑結(jié)構(gòu)的本身，還包含了建筑的經(jīng)濟(jì)效益及居住舒適度、建筑空間的使用率等。因此，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要按照一定基本原則。

1、使不規(guī)則建筑平面布置產(chǎn)生規(guī)則結(jié)構(gòu)效應(yīng)的原則

在建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，需要按照不同的功能要求，經(jīng)過對(duì)調(diào)節(jié)墻柱布局及墻肢長短，使得建筑結(jié)構(gòu)達(dá)到經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)及安全使用的目的。

2、提高建筑居住的舒適度原則

建筑居住的舒適度是建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)。為提高建筑居住舒適度應(yīng)該從建筑結(jié)構(gòu)、裝飾裝修、電氣安裝等各方面進(jìn)行整體優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3、保證建筑結(jié)構(gòu)整體安全度的原則

建筑結(jié)構(gòu)的安全性主要體現(xiàn)在建筑的抗震設(shè)計(jì)，其標(biāo)準(zhǔn)已在我國的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》被提出。因此需要保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)涉及到的每個(gè)部件承載能力的可靠性，最終到達(dá)建筑結(jié)構(gòu)安全經(jīng)濟(jì)耐久的目標(biāo)。

4、降低建筑結(jié)構(gòu)造價(jià)的原則

在建筑結(jié)構(gòu)工程的施工中，必須要對(duì)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，保證建筑結(jié)構(gòu)整體性能達(dá)到指標(biāo)的前提下，盡可能的降低建筑的經(jīng)濟(jì)成本，進(jìn)而有效的促使企業(yè)獲取更大的經(jīng)濟(jì)效益。

三、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案優(yōu)化的主要內(nèi)容

1、房屋結(jié)構(gòu)周期性折減系數(shù)

對(duì)建筑物的框架結(jié)構(gòu)和頂蓋等結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，計(jì)算周期一般會(huì)比實(shí)際周期大，因?yàn)樵谑┕r(shí)，由于填充墻體的存在會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的實(shí)際表現(xiàn)剛度大于設(shè)計(jì)剛度。所以，一旦計(jì)算出建筑物的結(jié)構(gòu)剪力偏小，會(huì)導(dǎo)致建筑物的部分，結(jié)構(gòu)安全性能降低，這時(shí)候就需要對(duì)建筑物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹芷谛哉蹨p計(jì)算。

2、建筑物耐久性設(shè)計(jì)

在很多混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中都沒有全面、綜合地考慮到建筑物的耐久性，從而導(dǎo)致有許多建筑設(shè)計(jì)都未能達(dá)到當(dāng)初的設(shè)計(jì)目標(biāo)。當(dāng)建筑物的設(shè)計(jì)者遇到建筑物的其他使用功能，要求或是施工技術(shù)指標(biāo)上升為設(shè)計(jì)建筑物的主要矛盾時(shí)，設(shè)計(jì)師就要放棄建筑物對(duì)經(jīng)濟(jì)的單純追求，這時(shí)候往往需要根據(jù)建筑物設(shè)計(jì)所需要解決的重要性問題，挑選出適合的目標(biāo)來進(jìn)行優(yōu)化，才能達(dá)到滿意的優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的效果及目的。

四、建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)措施

1、從建筑上分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法

它主要體現(xiàn)在房屋工程分部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和房屋工程結(jié)構(gòu)總體的優(yōu)化設(shè)計(jì)量方面。房屋工程分部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)包括：基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)、屋蓋系統(tǒng)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)細(xì)部設(shè)計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)以上幾個(gè)方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)還包括選型、布置、受力分析、造價(jià)分析等內(nèi)容，在實(shí)施過程中，還應(yīng)該按照一切從實(shí)際出發(fā)的原則，結(jié)合具體工程的實(shí)際情況，圍繞房屋建筑的綜合經(jīng)濟(jì)效益的目標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在滿足設(shè)計(jì)意圖后，盡量使平面布置規(guī)則，縮小剛度和質(zhì)量中心的差異，這樣水平荷載就不會(huì)使建筑物有太大的扭轉(zhuǎn)作用。豎直方向上應(yīng)避開使用轉(zhuǎn)換層，減少應(yīng)力集中現(xiàn)象。

2、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化就是在各種影響變量中選擇主要參數(shù)，并建立函數(shù)模型，運(yùn)用科學(xué)合理的方法得出最優(yōu)解。結(jié)構(gòu)總體的優(yōu)化建立模型的大致步驟如下：一是設(shè)計(jì)變量的合理選擇。通常的設(shè)計(jì)變量選擇對(duì)設(shè)計(jì)要求影響較大的參數(shù)，將所涉及的參數(shù)按照各自的重要性區(qū)分，將對(duì)變化影響不大的參數(shù)定為預(yù)定參數(shù)，通過這種方法可減少很多計(jì)算編程的工作量。目標(biāo)函數(shù)的確定。使用函數(shù)找出滿足既定條件的最優(yōu)解。最后，約束條件的確定。房屋結(jié)構(gòu)可靠度優(yōu)化設(shè)計(jì)的約束條件，包括了應(yīng)力約束、裂縫寬度約束、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度約束、尺寸約束、從正常時(shí)的極限狀態(tài)下彈性約束到終極狀態(tài)的彈塑性約束、從可靠指標(biāo)約束到確定性約束條件等。設(shè)計(jì)中，要保證各約束條件必須符合現(xiàn)行規(guī)范的要求。

3、結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算方案

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)多個(gè)變量、多個(gè)約束條件，屬于一個(gè)非線性的優(yōu)化問題，設(shè)定計(jì)算方案時(shí)，常將有約束條件轉(zhuǎn)變?yōu)闊o約束條件來計(jì)算。常用的方法有拉氏乘子法、符合型法、Powell等。完成計(jì)算方案的設(shè)定后只需編制相應(yīng)適用的運(yùn)算程序即可得到我們的最終優(yōu)化結(jié)果。

4、將概念設(shè)計(jì)和細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化

所謂概念設(shè)計(jì)實(shí)際上也就是指一些沒有具體的數(shù)值來進(jìn)行量化的指標(biāo)，包括地震作用以及其本身的不確定性等。因此在進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算的時(shí)候難免會(huì)和現(xiàn)實(shí)產(chǎn)生較大的差別，正是在這樣的背景下我們才需要在對(duì)這樣一種指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)和確定時(shí)選擇使用概念設(shè)計(jì)的方法，將數(shù)值僅僅只是作為輔助或者是參考的依據(jù)來進(jìn)行。在這樣一種設(shè)計(jì)的過程當(dāng)中更為強(qiáng)調(diào)的就是設(shè)計(jì)人員本身的靈活性以及應(yīng)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的能力，這樣良好的結(jié)合才能夠真正實(shí)現(xiàn)效果上的最優(yōu)化。因?yàn)榧?xì)節(jié)是構(gòu)成整體的單位，所以對(duì)各種設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的嚴(yán)格管理，也就可以實(shí)現(xiàn)整體的功能的有效發(fā)揮。因此，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)踐過程中，應(yīng)該重視對(duì)建筑細(xì)節(jié)的處理。設(shè)計(jì)人員在注重整體設(shè)計(jì)的同時(shí)，還要加強(qiáng)對(duì)結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件的精細(xì)設(shè)計(jì)。如盡量劃分矩形板塊的現(xiàn)澆板設(shè)計(jì)，增強(qiáng)現(xiàn)澆板的受力性能和避免出現(xiàn)拐角裂縫。

5、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的抗震性

構(gòu)件的豎向和平而布置是該房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，很大程度上影響了房屋的抗震性能。在布局方面，要力求簡潔和規(guī)則。另外，質(zhì)量和剛度的中心接近重合是房屋結(jié)構(gòu)的另一原則，從而有效的提升房屋結(jié)構(gòu)的抗震性能。錯(cuò)落的豎向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和頭重腳輕是房屋結(jié)構(gòu)豎向布局的大忌，因此，要適當(dāng)調(diào)整房屋結(jié)構(gòu)的中心，使其趨于最低。在豎向強(qiáng)度和剛度方面，要注意保證其均勻性，尤其要嚴(yán)格控制凸出屋而的部分，避免地震時(shí)因?yàn)橥钩鑫荻慕ㄖ锊糠诌^高而發(fā)生的鞭梢效應(yīng)。設(shè)計(jì)人員在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要盡可能的按照抗震性能要求進(jìn)行，減少使用極其不規(guī)則的設(shè)計(jì)方案。

結(jié)束語：

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)建筑工程的整體施工有著很大的影響，將直接關(guān)系到施工可行性及使用穩(wěn)定性。為保證我國建筑行業(yè)的發(fā)展，需要不斷的提升建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平，設(shè)計(jì)人員需要不斷的創(chuàng)新，在技術(shù)理念方面不斷的學(xué)習(xí)，并總結(jié)之前的工程經(jīng)驗(yàn)，為我國建筑工程行業(yè)作出一定的貢獻(xiàn)。

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