建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的優(yōu)化策略

侯緒濤++孟艷艷

摘要：房屋建筑的安全性、適用性、美觀性始終是人們追求的。所以傳統(tǒng)的建筑設(shè)計在為了保證上述要求的前提下，通過犧牲經(jīng)濟(jì)性、結(jié)構(gòu)布置的均勻?qū)ΨQ性、來達(dá)到目的。在現(xiàn)代化的今天，由于社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對住宅、辦公、醫(yī)院等建筑的使用要求有所提高，從而使建筑結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，使建設(shè)成本大大提高。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計；優(yōu)化方法；房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計

引言

筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是在保證業(yè)主使用功能的前提下，通過結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化、結(jié)構(gòu)計算的優(yōu)化、材料使用的優(yōu)化等手段，使投資者用最少的錢得到較為合理的、較為經(jīng)濟(jì)的建筑物。

1.結(jié)構(gòu)方案的選擇

對于任何一個建筑都有很多建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，選擇哪種設(shè)計方案是決定一個建筑是否經(jīng)濟(jì)合理的成敗因素。所以，任何一個建筑物都應(yīng)該選擇結(jié)構(gòu)體系簡單，受力和傳力途徑簡單明了的方案。這樣不僅計算模型建立簡單，計算正確率也會比較高。

工程實(shí)例：本工程為除鹽水泵站，建筑分為兩部分：一部分為酸堿儲罐間，高度為5.500m；一部分為主車間高度9.600m，主車間女兒墻高0.6m，主車間還有一個地下水池深5.300m，抗震設(shè)防烈度7度，場地類別2類，圖示如下

實(shí)例分析：本設(shè)計原設(shè)計方案是，酸堿儲罐間磚混結(jié)構(gòu)、主車間預(yù)制排架結(jié)構(gòu)。但是由于磚混整體性及抗震性能差，墻的高厚比約束以及預(yù)制排架結(jié)構(gòu)還需要現(xiàn)場制作預(yù)制柱等原因，故原設(shè)計方案改為了酸堿儲罐間和主車間均采用框架結(jié)構(gòu)，兩者建筑之間設(shè)置伸縮縫的結(jié)構(gòu)方案。從傳力的角度分析：板傳給次梁，次梁傳給主梁，主梁傳給柱子，柱子傳給基礎(chǔ)；傳力直接簡單，空間符合建筑使用要求且能使空間可變性增強(qiáng)；從結(jié)構(gòu)布置角度分析：兩個建筑分離，使建筑平面布局避免結(jié)構(gòu)的不規(guī)則布置，抗側(cè)力構(gòu)件剛度布置均勻。能滿足建筑的功能性及后期使用功能擴(kuò)展性有較大提高，抗側(cè)力構(gòu)件布置均勻?qū)ΨQ，使結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性有很大提高。

2.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的步驟

對房屋結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行必要的優(yōu)化設(shè)計時候，可以分成三步進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化。下面將對每一步驟進(jìn)行詳細(xì)的介紹：

（1）建立結(jié)構(gòu)模型

建筑模型建立時，應(yīng)該在符合實(shí)際的前提下，除去次要構(gòu)件簡化模型，使建筑模型即符合實(shí)際的受力狀況，又減少次要因素對于結(jié)構(gòu)整體模型的失真影響。

（2）對結(jié)構(gòu)安全性指標(biāo)及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)進(jìn)行合理的選擇

通常在對設(shè)計變量進(jìn)行選擇時，我們把對建筑結(jié)構(gòu)影響的主要參數(shù)作為設(shè)計變量。如目標(biāo)控制的相關(guān)參數(shù)（損失的期望 C2 和結(jié)構(gòu)的造價C1）和約束控制相關(guān)參數(shù)（結(jié)構(gòu)的可靠度PS）等；然而還有一些影響不是太大，其變化范圍也不是很大或者由局部性以及結(jié)構(gòu)的相關(guān)要求就能夠滿足相應(yīng)的設(shè)計要求的一些參數(shù)，我們可以用預(yù)定參數(shù)來表示，這樣能夠使得我們的計算量均大大減小。

（3） 對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行確定

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的時候，我們應(yīng)通過多次試算來尋找一組即能夠滿足現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的整體指標(biāo)又能使結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸、鋼筋面積等經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)相關(guān)參數(shù)最小的一組作為目標(biāo)模型進(jìn)行計算，使得工程達(dá)到安全、適用、經(jīng)濟(jì)、美觀的最終目的。

3.約束條件的確定

在房屋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計過程中，必須在滿足結(jié)構(gòu)可靠度的前提下，來確定優(yōu)化設(shè)計過程中的約束條件。

優(yōu)化設(shè)計中的約束條件主要包括裂縫寬度約束、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度約束、尺寸約束、構(gòu)件單元約束、應(yīng)力約束、結(jié)構(gòu)體系約束、從可靠指標(biāo)約束到確定性約束條件以及從正常使用極限狀態(tài)下的彈性約束到最終極限狀態(tài)的彈塑性約束等。

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計的時候，我們必須對目標(biāo)約束條件與實(shí)際的約束條件進(jìn)行相應(yīng)的比較與分析，再確保每個約束條件都必須滿足相關(guān)要求，以實(shí)現(xiàn)最佳的設(shè)計。

4.結(jié)果分析

我們必須對相應(yīng)的計算結(jié)果進(jìn)行必要的分析比較，這一步驟在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化中尤其重要。合理的優(yōu)化設(shè)計方案，不僅從設(shè)計的角度趨于合理，而且在施工技術(shù)方面也有更好的操作性。這樣就不會在施工方面增大施工投資。

5.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的注意事項

（1）結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計應(yīng)注意初步方案的選定，初步設(shè)計方案應(yīng)結(jié)合建筑類型、地質(zhì)水文的情況、建筑高度等確定，他的確定直接會影響到工程的造價。所以我們應(yīng)該注意，初步方案要全方位的考慮各方因素，來做到結(jié)構(gòu)合理、功能齊全、經(jīng)濟(jì)適用的結(jié)構(gòu)形式。

（2）概念設(shè)計結(jié)合細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

在沒有具體數(shù)值量化的情況下，可以使用概念設(shè)計。例如，對地震的烈度進(jìn)行設(shè)防時，由于它存在這不確定的因素，所以我們無法找到與實(shí)際相符合的計算式，所以在進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化的時候我們可以使用概念設(shè)計的方法，把相應(yīng)的數(shù)值作為參考與輔助相關(guān)的依據(jù)。同時在設(shè)計過程中，相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計人員必須合理使用結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的方法，從而達(dá)到最佳的效果。在設(shè)計過程中必須對局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。

（3）下部地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化

在地基基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化中，我們必須選取合適的方案，如何選擇基礎(chǔ)類型，可通過下面的實(shí)例簡單闡述選擇基礎(chǔ)類型的條件。

例如上述工程“除鹽水泵站”由于工程有3米深的軟土，為此原設(shè)計主車間采用樁基，酸堿儲蓄間采用混凝土條形基礎(chǔ)。后來經(jīng)過分析計算，可以把基礎(chǔ)作用在-4.000m的粉質(zhì)粘土層上，地基承載力為130KPa可以承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)傳來的荷載，且粉質(zhì)粘性土層下沒有軟弱下臥層。故基礎(chǔ)改為筏板基礎(chǔ)，從而光基礎(chǔ)方案的改動就節(jié)約投資20多萬。

由上述可知選擇基礎(chǔ)方案，可從以下幾個方面考慮

①上部結(jié)構(gòu)體系的荷載大小及分布。

②地基承載力是否能滿足上部荷載要求。

③持力層以下軟弱下臥層對持力層承載力的影響是否滿足上部荷載要求。

除此上述條件外，還包括基礎(chǔ)總沉降量和差異沉降量的控制、地下水位及其防水要求、基礎(chǔ)施工給周邊現(xiàn)有建筑帶來的不利影響、不同的基礎(chǔ)形式對基礎(chǔ)造價的影響對比，來滿足基礎(chǔ)對于上部荷載的承載能力及更加經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)形式。

6.結(jié)束語

總而言之，房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化涉及的內(nèi)容比較多，是一個復(fù)雜而綜合的技術(shù)篩選過程。在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中，耐用、舒適、美觀、安全是非常重要的指標(biāo)，這些指標(biāo)之間是互相聯(lián)系、相輔相成的，設(shè)計人員在進(jìn)行設(shè)計的時候，一定要進(jìn)行綜合考慮，確保房屋建筑功能的充分發(fā)揮，實(shí)現(xiàn)房屋建筑的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益，促進(jìn)建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 沈汝偉.對建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的探討[J]. 煤炭技術(shù)，2011（ 04） ： 242- 243.

[2] 付建利.探討房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J]. 中華民居，2012（ 19） ： 41-42.

作者信息：侯緒濤，身份證號碼370832198709193116.；孟艷艷，身份證號碼37083219851215034X.endprint