淺談如何優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計

徐志偉

煙臺市勘察設(shè)計審查服務(wù)中心，山東煙臺 264000

建筑是凝固的藝術(shù)。建筑設(shè)計師設(shè)計意圖的表達(dá)是通過建筑物來實現(xiàn)的。因此，實用性與藝術(shù)性的有機(jī)融合是每個建筑師追求的目標(biāo)。結(jié)構(gòu)師要想實現(xiàn)設(shè)計意圖，應(yīng)當(dāng)在確保建筑結(jié)構(gòu)安全的基礎(chǔ)上，不斷探索和創(chuàng)新建筑結(jié)構(gòu)形式。在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，除了要滿足建筑師的設(shè)計意圖，還要根據(jù)實際情況對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。例如：盡可能布置對稱、規(guī)則的平面，將質(zhì)量中心以及剛度中心之間的差異縮??；豎向設(shè)計應(yīng)盡可能實現(xiàn)豎向承重構(gòu)件的上下貫通；少用或不用轉(zhuǎn)換層，降低結(jié)構(gòu)設(shè)計與結(jié)構(gòu)分析難度；豎向剛度應(yīng)當(dāng)用漸變代替突變，以免產(chǎn)生應(yīng)力過度集中現(xiàn)象等。文章主要探討建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化。

1 建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計分析

1.1 結(jié)構(gòu)體系與布置優(yōu)化

（1）設(shè)計師應(yīng)考慮到建筑使用功能、高度以及布置等方面因素，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)體系的選擇，確保其經(jīng)濟(jì)合理。例如，在鋼材用量方面，普通框架較之異形柱框架要小，條件允許的情況下盡可能選用前者；普通剪力墻的含鋼量低于短肢剪力墻，條件允許的情況下盡可能選用前者。

（2）在選擇平面方案以及立面方案時，最好避開樓板有大洞、平面不規(guī)則等情況，對平面長寬比進(jìn)行控制，縫隙設(shè)置要合理，建筑結(jié)構(gòu)的剛度中心盡量靠近其質(zhì)量中心。在豎向設(shè)計中，最好不要有太大的內(nèi)收、外挑設(shè)計，對各類不利因素進(jìn)行限制，包括轉(zhuǎn)換層、薄弱層以及躍層等，確保建筑水平方向承載力、側(cè)向剛度等變化平穩(wěn)、均勻[1]。

（3）柱網(wǎng)尺寸的選擇要合理，確保建筑梁板、墻、柱等受力合理，以此實現(xiàn)鋼材用量的減少。如果柱網(wǎng)尺寸較大，樓蓋的鋼材用量就會比較大；如果柱網(wǎng)尺寸較小，柱的鋼材用量就會比較大。因此，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，建筑師需結(jié)合實際情況進(jìn)行選擇。比如：在中小開間結(jié)構(gòu)的住宅中，很難充分發(fā)揮墻柱的功能，如果墻柱數(shù)量過多，可能會造成地震作用過大，此時選用大開間結(jié)構(gòu)體系較為合適，不僅能提高建筑布置的靈活性，還能減少施工成本。

（4）樓蓋體系的選擇要合理。由于建筑樓蓋層數(shù)多且質(zhì)量大，因此造價高昂。建筑師應(yīng)當(dāng)綜合對比樓蓋數(shù)量、類型、間距以及構(gòu)件尺寸等，選擇最佳設(shè)計方案。通常來說，現(xiàn)澆梁板樓蓋在住宅建筑中較為常用。如果采用預(yù)應(yīng)力樓蓋，二次裝修時很容易破壞預(yù)應(yīng)力鋼筋；如果采用井字梁樓蓋，建筑室內(nèi)的美觀性則會受到影響。預(yù)應(yīng)力梁板、十字梁以及井字梁在空間較大的建筑結(jié)構(gòu)中比較適用，例如，辦公樓等。相較于單向板，雙向板成本更低，其應(yīng)用也比較普遍。同時，為了提高板的強(qiáng)度，滿足構(gòu)件變形要求，雙向板厚度最好為短跨的1/35，單向板厚度最好為短跨的1/30。

（5）剪力墻結(jié)構(gòu)有著較大的優(yōu)化空間，需要建筑師予以特別關(guān)注。在布置剪力墻時，應(yīng)確保其均勻、規(guī)則且對稱，從而對建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)變形加以控制。在規(guī)定范圍內(nèi)，墻的數(shù)量需盡可能減少，墻肢長度、連梁剛度等也要控制在合理范圍內(nèi)。如果可以做落地剪力墻，最好避開框支轉(zhuǎn)換層；如果能布置大開間平面，最好布置成大開間。合理控制墻體厚度，確保其符合軸壓比以及建筑構(gòu)造要求。

1.2 材料優(yōu)化

建筑結(jié)構(gòu)受力在很大程度上受到材料自重影響，因此建筑結(jié)構(gòu)最好選擇隔墻、填充墻等輕型材料，減輕建筑自重?；炷羶r格低廉，可采用高強(qiáng)度等級的混凝土代替鋼筋使用。然而，混凝土等級越高，其裂縫問題也就越嚴(yán)重，因此應(yīng)選擇合適等級的混凝土。通常來說，C30混凝土用于梁板，C25-C40混凝土用于梁柱，C40混凝土用于轉(zhuǎn)換層的水平構(gòu)件，C20混凝土用于非承重構(gòu)件，C30-C35混凝土用于基礎(chǔ)，C15混凝土用于墊層比較合適。同一樓層的構(gòu)件盡可能選用等級相同的混凝土，方便施工作業(yè)的進(jìn)行[2]。

1.3 地下室設(shè)計優(yōu)化

在建筑結(jié)構(gòu)成本中，地下室結(jié)構(gòu)占據(jù)較大比重。由于地下室具有結(jié)構(gòu)離散性大的特點，對其他結(jié)構(gòu)部分不會造成太大影響。因此，建筑師應(yīng)當(dāng)著重優(yōu)化地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計，從而對整體結(jié)構(gòu)成本進(jìn)行控制。首先，充分利用公共大地下室的面積，綜合比較單層地下室方案與多層地下室方案的優(yōu)劣；其次，降低支護(hù)成本。盡可能將建筑整體±0.000的標(biāo)高抬高，這樣不僅能減少地下水壓對建筑結(jié)構(gòu)的影響，有利于地下室抗拔樁設(shè)計以及底板設(shè)計，還能減少土方開挖、運輸工作量，從而實現(xiàn)支護(hù)成本的降低。在控制地下室結(jié)構(gòu)成本時，還要合理控制地下室頂部活荷載以及覆土厚度。通常來說，地下室頂部覆土厚度關(guān)系到管線埋設(shè)、景觀布置工作等，設(shè)計師需要提前考慮到管線設(shè)計以及景觀設(shè)計方面的內(nèi)容，確保各個專業(yè)相互協(xié)調(diào)、相互配合。除此之外，對于地下室頂板布置方案、底板布置方案等，設(shè)計師也要進(jìn)行有效把握，分析比較各種結(jié)構(gòu)布置方案的可行性、經(jīng)濟(jì)性以及科學(xué)性，根據(jù)實際情況選擇合適的方案。

1.4 構(gòu)件配筋設(shè)計優(yōu)化

在進(jìn)行施工圖設(shè)計時，結(jié)構(gòu)師應(yīng)當(dāng)盡可能降低鋼含量，做好配筋設(shè)計工作。一方面，鋼筋級別的選擇要合理；另一方面，鋼筋用量的控制要合理。三級鋼筋的強(qiáng)度高于二級鋼筋20%，前者價格高出后者6%左右。經(jīng)過計算分析得知，相較于二級鋼筋，選用三級鋼筋作為受力鋼筋能減少約12%鋼材用量。然而，就抗裂配筋而言，其裂縫寬度關(guān)系到鋼筋應(yīng)力，與鋼筋級別并無太大關(guān)聯(lián)，高強(qiáng)度鋼筋的作用得不到充分發(fā)揮，在這種情況下，選用低強(qiáng)度鋼筋作為抗裂配筋較為合適。針對構(gòu)造配筋，其最小配筋率的計算方式影響結(jié)構(gòu)成本，在選擇時應(yīng)考慮實際情況。值得注意的是，三級鋼筋與二級鋼筋外觀區(qū)別不大，為了防止出現(xiàn)混淆，建議三級鋼筋應(yīng)用于直徑超過16mm的鋼筋、二級鋼筋應(yīng)用于直徑在10～14mm的鋼筋、一級鋼筋應(yīng)用于直徑在6～8mm的鋼筋。通過設(shè)計師的精細(xì)化配筋設(shè)計，能夠有效減少建筑結(jié)構(gòu)用鋼量。因此，設(shè)計師不僅要具備豐富的理論知識，還要加強(qiáng)與施工人員的溝通、交流，對結(jié)構(gòu)設(shè)計細(xì)節(jié)加以把握，認(rèn)真總結(jié)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗，不斷提高設(shè)計水平。盡管上述內(nèi)容介紹了減少鋼材用量的方法措施，但是建筑結(jié)構(gòu)含鋼量并非越少越好。結(jié)構(gòu)師必須認(rèn)真研究建筑結(jié)構(gòu)受力原理以及相關(guān)規(guī)范，對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理布置，在選取計算參數(shù)、構(gòu)造措施以及荷載時應(yīng)考慮實際情況，確保建筑結(jié)構(gòu)科學(xué)合理、經(jīng)濟(jì)安全。

2 加強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的措施

2.1 做好設(shè)計監(jiān)理工作

首先，政府相關(guān)部門應(yīng)重視建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的推行，利用行政手段將優(yōu)化設(shè)計工作落到實處。嚴(yán)格管理建筑設(shè)計市場，完善相關(guān)法律法規(guī)。其次，建立健全設(shè)計監(jiān)理制度，并將其落實到實際工作中?，F(xiàn)階段，設(shè)計單位大多屬于自己管理自己的模式，缺乏一個公平、公正、客觀的第三方機(jī)構(gòu)對設(shè)計單位的工作進(jìn)行監(jiān)督管理，推行設(shè)計監(jiān)理制度能夠有效解決這一問題，提高設(shè)計質(zhì)量。

2.2 建立并實施設(shè)計競爭機(jī)制

實行設(shè)計招標(biāo)制度，并出臺相關(guān)法律法規(guī)進(jìn)行規(guī)范，以此推動建筑設(shè)計市場的良性競爭。各個地區(qū)可以結(jié)合實際情況，設(shè)立設(shè)計招標(biāo)代理機(jī)構(gòu)進(jìn)行項目招標(biāo)。在招標(biāo)過程中，認(rèn)真考察設(shè)計單位的資質(zhì)、人員素質(zhì)以及社會信譽等，成立專家小組負(fù)責(zé)評標(biāo)工作，利用價值手段優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。設(shè)計單位應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)企業(yè)管理，將設(shè)計方案的質(zhì)量與員工經(jīng)濟(jì)收益直接聯(lián)系起來，調(diào)動設(shè)計師的工作熱情，從而提高設(shè)計水平，實現(xiàn)企業(yè)綜合實力和競爭能力的提升。

2.3 推行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計

以大量的設(shè)計實踐經(jīng)驗和豐富的技術(shù)成果為基礎(chǔ)，建立建筑工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，推行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)與技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的推行，既能實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的優(yōu)化，又能實現(xiàn)設(shè)計效率的提升，在整體上節(jié)約建筑工程建設(shè)成本。此外，還可以將限額設(shè)計方面的內(nèi)容加入到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中，通過引導(dǎo)性語言提升建筑師的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，如“宜”或者“不宜”等，對于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中新工藝、新材料以及新技術(shù)的應(yīng)用，應(yīng)當(dāng)予以鼓勵[3]。

3 結(jié)語

綜上所述，社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶動了建筑行業(yè)發(fā)展。近年來，建筑工程數(shù)量和規(guī)模有了顯著提升，建筑行業(yè)取得了較大進(jìn)步。作為建筑工程的重要組成，結(jié)構(gòu)設(shè)計直接關(guān)系到建筑穩(wěn)定性、安全性以及耐久性。要想實現(xiàn)建筑施工成本的有效降低，增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)收益，必須正確認(rèn)識建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要性，在確保建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量安全的基礎(chǔ)上，利用科學(xué)合理的技術(shù)手段、構(gòu)造措施等進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。同時，建筑師還要注重新工藝以及新材料的應(yīng)用，綜合對比多種結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，結(jié)合實際情況選擇最優(yōu)方案，為后期施工提供科學(xué)指導(dǎo)，推動建筑行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。