建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計可行性研究分析

徐 超，張 寧，王春林

（赤峰學院 建筑與機械工程學院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計可行性研究分析

徐 超，張 寧，王春林

（赤峰學院 建筑與機械工程學院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

通過一系列調(diào)研對結(jié)構(gòu)設計存在的問題、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方案的可行性及實施方法進行分析總結(jié).本文可以為建筑行業(yè)結(jié)構(gòu)設計提供明確的優(yōu)化設計方法，一定程度上降低結(jié)構(gòu)工程成本，可供實際工程設計參考.

結(jié)構(gòu)優(yōu)化；結(jié)構(gòu)設計；公共民用建筑；可行性分析

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，黨的十八大報告首次正式提出全面“建成”小康社會.老百姓對物質(zhì)生活要求變高，越來越多的中國人愿意在第三產(chǎn)業(yè)發(fā)達的城市生活，據(jù)統(tǒng)計2015年北京常住人口達到2170.5萬人次，其中四成人屬于其他城市前來務工人員，加大了一線城市住房壓力.隨著人口的繼續(xù)增長，建筑物越來越多，土地資源、住房等變成了中國百姓的剛性需求，但是土地資源有限，進而土地價格越來越高，從而導致了建筑商的建筑成本也越來越高,隨之而來的住房問題也日益突出，尤其以北京、上海等一線城市房價居高不下，百姓住房滿意率降低，雖然政府出臺了一系列政策，但是仍然有社會負面現(xiàn)象的存在，例如，學區(qū)房坐地漲價，炒房現(xiàn)象日益嚴重，“房哥”“房姐”等新型詞匯在網(wǎng)絡上層出不窮.面對突出的住房問題，從結(jié)構(gòu)設計層面上解決部分相關問題近些年也被重視起來.

建筑結(jié)構(gòu)設計所遵循的三大原則是安全性、耐久性、和適用性，在滿足建筑結(jié)構(gòu)三個原則的基礎上追求經(jīng)濟效益的最大化就是建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的根本目的所在.我們首先要深入了解什么是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的意義何在、我們?yōu)槭裁匆M行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計是否具有生存空間、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方法的實現(xiàn)途徑是什么？這些問題都是我們要探討研究的事情.本文圍繞上述問題研究分析并進行闡述.

1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計定義

建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計是指在特定的限制條件內(nèi)，完成預定設計目標（例如：重量輕、強度最高、剛度最大、成本最低）的最優(yōu)設計方案，也可以將此方案稱為結(jié)構(gòu)最優(yōu)設計或者最佳結(jié)構(gòu)設計.其中在保證安全性、適用性、耐久性的前提下，強調(diào)整體設計的成本最低是當今建筑市場、建筑行業(yè)所追求的熱點.追求成本最低使得甲方建筑成本降低，從而在某種程度上緩解了老百姓的購房壓力，也有助于當今中國社會的和諧與穩(wěn)定.

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計必要性分析

進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的必要性圍繞著材料成本、結(jié)構(gòu)設計人員、設計企業(yè)、結(jié)構(gòu)科研軟件、業(yè)主甲方以及施工方等方面進行闡述.

2.1 材料成本需求

在中國社會，常見的建筑結(jié)構(gòu)形式按材料類型分為鋼結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu).所需鋼材、混凝土、砌體等常見材料的價格成本占主體結(jié)構(gòu)總成本的50%以上，所以進行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計，找出最優(yōu)最省的結(jié)構(gòu)設計方案，可大大降低材料的損耗，從材料上降低成本，另外節(jié)省了建筑使用材料對我國生態(tài)環(huán)境、固有資源也會帶來良性的影響，例如：砌體結(jié)構(gòu)中的紅磚，需要經(jīng)過磚廠的煅燒工藝，此生產(chǎn)過程使用大量的粘性土，浪費土地資源；煅燒過程中也難免造成環(huán)境污染現(xiàn)象.

結(jié)構(gòu)設計人員專業(yè)素質(zhì)水平參差不齊，有些設計人員完全依賴結(jié)構(gòu)設計軟件，在進行結(jié)構(gòu)設計時，設計方案偏于

2.2 結(jié)構(gòu)設計人員因素

保守，勢必會造成結(jié)構(gòu)設計作品的不合理，進而在設計院常出現(xiàn)結(jié)構(gòu)設計不是最優(yōu)設計，將這樣的圖紙應用到施工第一現(xiàn)場，增大了建筑成本，所以對結(jié)構(gòu)設計人員進行專業(yè)培訓的同時有必要對結(jié)構(gòu)設計圖紙進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化.

2.3 建筑設計企業(yè)

據(jù)統(tǒng)計，設計責任是造成建筑工程質(zhì)量事故的主要因素，占據(jù)了大約40%的比例，現(xiàn)階段各個設計單位水平良莠不齊，設計質(zhì)量差導致停工、返工的現(xiàn)象很普遍；另一方面，設計單位缺乏成本意識，盲目追捧“算不清，配鋼筋”的錯誤思想，設計保守，造成資源浪費，進行合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，能夠幫助業(yè)主提高設計質(zhì)量，消除不必要的質(zhì)量缺陷和工程風險，在減少非必要投資的前提下獲得高品質(zhì)的建筑，也符合創(chuàng)建節(jié)約型社會的宗旨.

2.4 業(yè)主、甲方因素

由于設計單位沒有主動控制成本的意識和動力，加之設計師時間緊，任務重以及能力不足等因素，業(yè)主并不能奢望設計單位幫助其進行成本控制，必須另謀出路.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計工作往往并非甲方的核心業(yè)務，與其耗費較多的人力、物力和財力去做，還不如將其委托給專業(yè)人員完成，以便將有限的資源用在更有效率的工作中，從而創(chuàng)造更多的價值，提高企業(yè)的核心競爭力.

2.5 結(jié)構(gòu)科研軟件的局限性

設計院所做的結(jié)構(gòu)設計圖紙一般通過科研軟件來實現(xiàn)，軟件的局限性勢必造成結(jié)構(gòu)設計的不合理性，舉一個例子：做一個民用建筑框架結(jié)構(gòu)，主要用途為教學辦公，如果其中一個空間為化學實驗室，里面存在著揮發(fā)性物質(zhì)，那么規(guī)范要求對此空間應按照正常使用的極限狀態(tài)設計理念進行設計，要求梁、板、柱等構(gòu)建不允許出現(xiàn)裂縫，可是軟件沒有對整個結(jié)構(gòu)的某一個空間單獨定義的功能，我們知道，混凝土構(gòu)件正常工作一般是允許裂縫存在的（特殊要求除外，例如化學實驗室等），這樣結(jié)構(gòu)的所有空間按照同一設計理念進行設計是存在不合理性的，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計可以避免這一現(xiàn)象的產(chǎn)生.

2.6 施工第一現(xiàn)場

現(xiàn)在好多工程都存在設計單位和施工現(xiàn)場不在同一城市或同一區(qū)域，結(jié)構(gòu)圖紙出現(xiàn)不符合施工現(xiàn)場環(huán)境的情況或者出現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖紙有錯誤的情況普遍存在，施工技術人員與結(jié)構(gòu)設計人員溝通不方便，圖紙變更變得困難，為了避免類似情況發(fā)生，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計更顯得尤為重要.

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的生存空間

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計企業(yè)利用結(jié)構(gòu)專業(yè)知識對民建施工一線的工程圖紙進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，主要盈利方式是將設計院結(jié)構(gòu)施工圖紙最大限度的進行優(yōu)化處理，使得工程在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下追求利益最大化，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)圖紙與原圖紙比較，經(jīng)過圖紙預算后，從差價中賺取提成，同時工作室承接項目結(jié)構(gòu)變更業(yè)務，為施工第一線提供最大的便利及經(jīng)濟效益.只要結(jié)構(gòu)工程中出現(xiàn)文中“為什么要進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計”所闡述的五方面問題，那么結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計就有足夠的生存空間.

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的實現(xiàn)方法和途徑

如何優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計，從哪些方面入手是結(jié)構(gòu)優(yōu)化要解決的首要專業(yè)問題，根據(jù)從事設計經(jīng)驗進行總結(jié)分析，歸納到以下四點：

4.1 結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化

隨著結(jié)構(gòu)設計的日趨完善，異形結(jié)構(gòu)越來越多的出現(xiàn)在了結(jié)構(gòu)優(yōu)化圖紙中，有些異形柱是為了結(jié)構(gòu)的特殊性，也有的是為了建筑的整體美觀要求，還有的是為了節(jié)省材料.例如為了防止柱子凸出墻體而采用T形柱作為邊柱，采用L形柱作為角柱，在保證強度和剛度的前提下，采用這兩種截面形式的柱子可以有效減少柱子凸出墻體現(xiàn)象的發(fā)生，保證建筑空間的完整性，并節(jié)省了建筑材料.

4.2 建筑結(jié)構(gòu)抗震設計的優(yōu)化

良好的抗震結(jié)構(gòu)體系往往由多個延性較好的分體系組成，各分體系之間利用延性較好的結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接.鑒于地震過程中存在著多次余震，必須保證主要耗能構(gòu)件有足夠的延性和必要的剛度，來保障吸收地震的能量，提升抗震性能，避免出現(xiàn)大震倒塌的現(xiàn)象.在設計過程中要處理好構(gòu)件剛度和延性的強弱關系，盡量保障在同一樓層內(nèi)的主要耗能構(gòu)件屈服后，其他的抗側(cè)力構(gòu)件仍然處于彈性階段，延長“有效屈服”時間，提升結(jié)構(gòu)的延性和抗倒塌能力.

4.3 建筑結(jié)構(gòu)平面優(yōu)化

如果建筑結(jié)構(gòu)的平面并不規(guī)則，則會在設計過程中引起剛心、重心和質(zhì)心不在一點，導致結(jié)構(gòu)在使用過程中發(fā)生扭轉(zhuǎn)，并且在水平荷載如地震荷載的作用下出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)振動.為了避免這類現(xiàn)象的出現(xiàn)，建筑結(jié)構(gòu)的平面應采用方形、圓形、矩形或正多邊形等簡單的形式.若因某些原因無法全部采用簡單的平面形式時，應該盡可能控制平面的不規(guī)則程度，使其在規(guī)范允許的范圍內(nèi).

4.4 建筑結(jié)構(gòu)靜力分析方法優(yōu)化

常用的靜力分析方法有如下幾種：彈性靜力法、動力彈性分析法、靜力彈塑性分析法、動力彈塑性分析法等.多數(shù)情況下建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)力是根據(jù)按彈性方法計算得到的，往往忽略了塑性變形時的內(nèi)力提高，這樣會導致計算結(jié)果不準確，設計截面偏大，造成的材料浪費，工期的延長等結(jié)果.因此，除了符合桿系特征的桿件選擇彈性靜力法設計以外，其他構(gòu)件可以采用有限元法來進行輔助分析，此部分工作也可以由結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計完成.

5 結(jié)束語

利用結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化的技術方法，能提高有限的空間、有限的資源，讓其最大化的效果發(fā)揮，實現(xiàn)了經(jīng)濟化、實用性和適用性的良好目標.滿足了建筑產(chǎn)品的品質(zhì)要求不斷提高的目的，實現(xiàn)了人們對于居住條件及生活環(huán)境的要求不斷提高的需求，同時，這也實現(xiàn)了建筑商不斷尋求新的手段來滿足顧客的需求，達到降低建筑工程造價成本的目標.

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TU318

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2017-06-07