淺述建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的優(yōu)化措施

邊少鵬

【摘要】目前的建筑結(jié)構(gòu)施工中，住宅房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)周期較長且內(nèi)容復(fù)雜的過程。其中的影響因素很多，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)綜合考量各方面的因素與條件，應(yīng)用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理論、模式與方法，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，從而為工程項(xiàng)目建設(shè)提供必要的技術(shù)指導(dǎo)。

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

建筑工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作十分重要，它會對工程項(xiàng)目的整體質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。但是，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)今的建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，存在著諸多的問題，直接關(guān)系到建筑工程的使用，那么設(shè)計(jì)人員在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，就需要綜合考慮到多方面的因素，將其掌握的基礎(chǔ)理論知識充分的應(yīng)用至各個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，保持積極認(rèn)真的工作態(tài)度，勇于創(chuàng)新，認(rèn)真研究和分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的常見問題，針對這些問題找到合理的解決方案，不斷提高建筑工程的整體質(zhì)量。

1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化目的

建筑物除了其自身的使用功能外，其外形設(shè)計(jì)也要求能夠讓人們在觀感上賞心悅目。所以設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)建筑物的時(shí)候，不僅僅要考慮到建筑物的使用功能，還要考慮到建筑物的外形設(shè)計(jì)。這就要求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建筑的施工技術(shù)能夠相互協(xié)調(diào)、配合。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是安全、適用、耐久、經(jīng)濟(jì)、美觀和易于施工。而所謂的建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，就是在原有的建筑物工程結(jié)構(gòu)滿足施工約束條件下，按照預(yù)設(shè)的目標(biāo)找出最適合、最經(jīng)濟(jì)的施工方案的設(shè)計(jì)方法。優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅可以滿足人們對于建筑外形的美觀要求，還可以令建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足經(jīng)濟(jì)適用的內(nèi)在條件，例如讓建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變得合理、提高建筑物的結(jié)構(gòu)安全性能、降低工程項(xiàng)目的施工成本等等。一般來說，優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容主要是優(yōu)化建筑工程的總體結(jié)構(gòu)和建筑工程的部分結(jié)構(gòu)。

2 建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的要求

2.1 體現(xiàn)綠色設(shè)計(jì)內(nèi)涵，滿足環(huán)保理念

近年來，國家大力倡導(dǎo)在每一個(gè)行業(yè)內(nèi)普及節(jié)能、環(huán)保理念，同時(shí)也依照各行業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)狀況，分別出臺、制定了多種建筑節(jié)能政策及規(guī)程。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化環(huán)節(jié)，可采用節(jié)能的原材料，從建筑結(jié)構(gòu)的整體框架統(tǒng)籌規(guī)劃、宏觀布局，彰顯其環(huán)保成效，最為典型的措施包括給排水硬件設(shè)備的優(yōu)化以及門窗材料的環(huán)?；?。在這期間，也不可避免地產(chǎn)生施工廢料及垃圾，需運(yùn)用最為綠色、環(huán)保的方式加以處置，減少對環(huán)境的“二次污染”，盡量循環(huán)利用。

2.2 控制結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性

如今，在建設(shè)資源節(jié)約型社會的新形勢下，建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)效益已與質(zhì)量效益有機(jī)聯(lián)系在一起。建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化在設(shè)計(jì)中，既要統(tǒng)籌質(zhì)量與安全性能，也要有的放矢地控制建設(shè)成本，最大限度地降低資金投入。從這個(gè)視角上看，優(yōu)化設(shè)計(jì)需堅(jiān)持技術(shù)先行的原則。

2.3 將各種安全要素考慮周全

建筑結(jié)構(gòu)在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，一個(gè)最起碼的要求便是安全性。倘若只在結(jié)構(gòu)的功能性、經(jīng)濟(jì)性等方面狠抓嚴(yán)控，但忽略或降低了建筑結(jié)構(gòu)的整體安全性能，那么這樣的設(shè)計(jì)也是片面無效的，甚至還有可能前功盡棄。基于此，要將各項(xiàng)安全要素考慮在內(nèi)，同時(shí)嚴(yán)格把控好建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量關(guān)和安全關(guān)。

2.4 滿足結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的功能需求

從本質(zhì)上看，建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是為業(yè)主提供最優(yōu)質(zhì)、最舒適的生活環(huán)境條件。伴隨

社會經(jīng)濟(jì)的持續(xù)、快速發(fā)展，人們消費(fèi)水平日益提高，群眾對于建筑設(shè)施的功能需求也與時(shí)俱進(jìn)。為此，追求建筑設(shè)施的和諧美觀、高效實(shí)用無疑是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的一大要求。

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

3.1. 建筑物結(jié)構(gòu)周期性的折減系數(shù)

對建筑物的框架結(jié)構(gòu)和頂蓋等結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，計(jì)算周期一般會比實(shí)際周期大，因?yàn)樵谑┕r(shí)，由于填充墻體的存在會導(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)候就需要對建筑物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹芷谛哉蹨p計(jì)算。但對于建筑物的框架結(jié)構(gòu)是不適合進(jìn)行折減計(jì)算或把折減系數(shù)取小的。

3.2. 優(yōu)化建筑物耐久性設(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)方案的效果和目的。

4 住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法

4.1. 結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型的建立

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中首要的問題是要根據(jù)實(shí)際的結(jié)構(gòu)特性設(shè)定成為相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，主要的有目標(biāo)控制參數(shù)和約束控制參數(shù)。對于那些變化范圍比較小的，且在結(jié)構(gòu)的局部加強(qiáng)就能滿足要求的部分參數(shù)，將其確定為預(yù)設(shè)參數(shù)，從而減少計(jì)算的工作量；對于目標(biāo)函數(shù)，是要找到一組可以滿足預(yù)定條件的鋼筋截面積和截面的幾何尺寸，目標(biāo)是要讓總造價(jià)最小。對于約束控制函數(shù)，包括前度和穩(wěn)定約束、截面尺寸約束、結(jié)構(gòu)整體約束、構(gòu)建單元約束、正常使用狀態(tài)的上下限約束條件等。參數(shù)的設(shè)計(jì)必須要與實(shí)際情況和規(guī)范相符。

4.2. 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算方法

在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算方案的確定上，考慮到建筑結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性帶來的變量多、約束條件多且非線性，因此在計(jì)算過程中，一般的做法是先將有約束的優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為無約束條件再進(jìn)行求解，可選用的計(jì)算方有拉式乘子法、復(fù)合形法等。結(jié)構(gòu)選型、尺寸和參數(shù)設(shè)計(jì)完成后，在計(jì)算方案的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)優(yōu)化程序。并在得到計(jì)算結(jié)果后，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析，最后確定最合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

5 住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的應(yīng)用分析

5.1. 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的前期參與

建筑是相對長期的投資，常見的建筑使用年限均在 50～100 年間，這就要求結(jié)構(gòu)能夠保證在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)，建筑能夠保持基本的使用功能、良好的空間環(huán)境。因此，要在建筑方案設(shè)計(jì)初期就加入結(jié)構(gòu)優(yōu)化的考慮。這樣可以有效避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)不合理、工程造價(jià)高等問題。也就是說，在建筑方案的設(shè)計(jì)初期就加入結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，是提高建筑利用率的有效方法。

5.2. 結(jié)構(gòu)的概念優(yōu)化設(shè)計(jì)

一幢建筑的完成，可以有多種不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案；另外，對于同一種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，采用不同的結(jié)構(gòu)荷載、材料和分析方法以及參數(shù)的不同取值所得到的結(jié)果也是有較大區(qū)別的。這些都無法通過計(jì)算機(jī)自身實(shí)現(xiàn)內(nèi)部系統(tǒng)優(yōu)化，需要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員作出合理的選擇，根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行參數(shù)的確定。通過概念優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以初算建筑結(jié)構(gòu)在各種外力荷載的作用下的內(nèi)力分布，以及將所有不利的荷載集中加載時(shí)可能出現(xiàn)的各種破壞形式等，如建筑結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的破壞情況等，得到初算結(jié)果后，就可以作為下一步結(jié)構(gòu)深化設(shè)計(jì)的有力依據(jù)，采取合理的結(jié)構(gòu)形式，選用有效的建筑材料及構(gòu)造措施，從而降低剛度不均勻、結(jié)構(gòu)不對稱等不利于結(jié)構(gòu)整體抗震的現(xiàn)象。因此，對建筑設(shè)計(jì)方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在地震等自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，就顯得尤為重要。

6 結(jié)語

住宅建筑是目前建設(shè)數(shù)量最多，建設(shè)頻率最高的一種工程項(xiàng)目，其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有較為深遠(yuǎn)的意義。對于高層住宅迅速發(fā)展的今天，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更突顯出其重要性。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的是讓建筑在設(shè)計(jì)年限內(nèi)能夠更好的發(fā)揮其作用。本文也指出了結(jié)構(gòu)工程師在實(shí)際工作中如何運(yùn)用結(jié)構(gòu)理論知識來優(yōu)化設(shè)計(jì)方案?？傊?，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是在堅(jiān)持科學(xué)發(fā)展觀、充分利用有限資源的基礎(chǔ)上提出的，是符合建設(shè)節(jié)約型社會的總體需要的。

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