土木工程建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化探討

武玉新

（天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院城市設(shè)計(jì)分院，天津 300381）

1 建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要作用

對(duì)土木建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，不僅可以提高建筑的質(zhì)量，還可以改善人們的生活質(zhì)量。具體而言，主要具有以下4個(gè)方面的作用：1）通過(guò)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以進(jìn)一步提高建筑使用的安全性；2）在合理完成建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同時(shí)，可以全面提高建筑工程的施工效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)約資源的目的，有效地降低施工成本；3）在建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，可以實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能設(shè)計(jì)，使建筑的建設(shè)和使用滿足環(huán)境保護(hù)的要求，與國(guó)家所提出的可持續(xù)發(fā)展策略相呼應(yīng)，以此推動(dòng)我國(guó)建筑行業(yè)朝向更加環(huán)保、綠色、節(jié)能以及低消耗的方向發(fā)展；4）在建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，可以對(duì)居民的安全做出保障，因?yàn)橥聊窘Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)更加重視建筑的安全性，而且也會(huì)重點(diǎn)考慮居民的實(shí)際需求，進(jìn)而使設(shè)計(jì)方案更加完美。

2 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)優(yōu)化的關(guān)鍵點(diǎn)

2.1 完善設(shè)計(jì)理念

建筑設(shè)計(jì)師在對(duì)建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)理念。在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，需充分考慮改造過(guò)程中會(huì)對(duì)建筑造成的內(nèi)部或外部的影響，并應(yīng)延續(xù)原來(lái)的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行優(yōu)化，所以是對(duì)原有設(shè)計(jì)的補(bǔ)充設(shè)計(jì)，完善原有的設(shè)計(jì)理念。在對(duì)建筑物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的過(guò)程中，需要重點(diǎn)考慮建筑結(jié)構(gòu)的可靠性，為提高建筑環(huán)境穩(wěn)定性導(dǎo)致優(yōu)化設(shè)計(jì)的工作大幅增加。為提高優(yōu)化設(shè)計(jì)工作的效率，可依靠拉氏乘子等方式，重新轉(zhuǎn)化部分?jǐn)?shù)據(jù)，將實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)造成影響的約束性因素轉(zhuǎn)化為非約束性因素。

2.2 確定最優(yōu)方法

建筑設(shè)計(jì)師對(duì)建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，最重要的是找到調(diào)整建筑設(shè)計(jì)的最優(yōu)法，提高建筑美觀性和安全性的關(guān)鍵就是找到最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。建筑師在對(duì)建筑物進(jìn)行改造時(shí)，會(huì)涉及很多數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)條件，需要對(duì)眾多數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算找到最優(yōu)解，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)提升建筑物的各項(xiàng)性能。設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)理念選擇最優(yōu)的計(jì)算方式，將部分的附加條件有效去除，更加快速、便捷地獲得計(jì)算結(jié)果，完成數(shù)據(jù)的收集和計(jì)算工作，降低工作強(qiáng)度。

2.3 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)模型

1）選擇變量。每一個(gè)建筑物進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)都會(huì)涉及大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)都會(huì)被設(shè)計(jì)人員收集、利用，作為定稿的參考數(shù)據(jù)，且部分?jǐn)?shù)據(jù)可能成為設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)定稿的關(guān)鍵。建筑項(xiàng)目的相關(guān)數(shù)據(jù)都可能影響設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)，很多數(shù)據(jù)都可以幫助設(shè)計(jì)人員減輕設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)，加快工作進(jìn)程，所以應(yīng)合理選擇數(shù)據(jù)變量，減輕設(shè)計(jì)人員的工作難度，設(shè)計(jì)出更好的設(shè)計(jì)方案。2）合理選擇函數(shù)。通常在進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)先對(duì)鋼筋尺寸和建筑的橫截面尺寸等數(shù)據(jù)進(jìn)行合理設(shè)定，然后將這些數(shù)據(jù)成功帶入選定函數(shù)中，并通過(guò)這些函數(shù)進(jìn)行分析。3）衡量施工條件。設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)施工方的實(shí)際施工情況及整個(gè)工程的預(yù)算和建造目的等因素合理判斷，從而分析出需要遵守的條件，這樣就可以保證該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和施工完全符合建造需求。

3 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化

3.1 優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)體系

對(duì)于現(xiàn)代建筑，其不僅功能性較強(qiáng)，而且造型也非常復(fù)雜。所以，優(yōu)化建筑整體結(jié)構(gòu)體系時(shí)，要在滿足建筑的功能性要求、規(guī)范要求以及造型要求的基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)布局，有效降低工程造價(jià)。

3.2 優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型

對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)先建立結(jié)構(gòu)模型，而后圍繞該模型，完成后續(xù)工作。對(duì)于一些結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的建筑，模型優(yōu)化非常重要，因?yàn)橥ㄟ^(guò)模型優(yōu)化能夠有效地將一些復(fù)雜的造型進(jìn)行簡(jiǎn)化，并利用結(jié)構(gòu)分析軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行工況分析，避免在方案實(shí)施時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

3.3 變量的合理選擇與目標(biāo)函數(shù)的確定

通常情況下，選擇設(shè)計(jì)變量時(shí)，會(huì)選擇對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響比較大的參數(shù)，將影響較小的參數(shù)作為預(yù)定參數(shù)，以減少計(jì)算編程的工作量。另外，確定目標(biāo)函數(shù)時(shí)，應(yīng)利用函數(shù)尋找能夠滿足既定條件的最優(yōu)解，同時(shí)要確定約束條件。優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可靠度的約束條件主要包括裂縫寬度約束、應(yīng)力約束、尺寸約束以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度約束等，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須確保各種約束條件都能夠滿足行業(yè)規(guī)范。

3.4 優(yōu)化樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

樁基礎(chǔ)是整個(gè)建筑的根本。樁基礎(chǔ)的作用是承載整個(gè)建筑，并將自身承受的荷載傳遞到周圍的土層中。通常情況下，建筑結(jié)構(gòu)的樁基礎(chǔ)有預(yù)制樁和灌注樁2種形式。對(duì)樁基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要指的是在確保施工質(zhì)量不受到影響的前提條件下，科學(xué)、合理地降低工程成本。

3.5 優(yōu)化地下室結(jié)構(gòu)

進(jìn)行地下室結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)從2個(gè)方面進(jìn)行：1）應(yīng)在滿足建筑使用要求的基礎(chǔ)上，合理降低地下室的層高，不僅可以有效降低建筑施工中鋼筋、混凝土等材料的使用量，還可以減少施工過(guò)程中土方的挖掘量，進(jìn)而減少維護(hù)、維修等費(fèi)用的支出；2）因?yàn)榈叵率医Y(jié)構(gòu)受到的地下水的浮力以及土壓力較大，需要使用大量的鋼筋，所以，設(shè)計(jì)工作人員在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實(shí)際受力狀態(tài)進(jìn)行全面、細(xì)致的分析。

3.6 優(yōu)化室內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)，必須保證建筑本身以及室內(nèi)結(jié)構(gòu)的合理性和美觀性。在這個(gè)過(guò)程中，務(wù)必確保剪力墻、結(jié)構(gòu)柱與建筑平面可以保持一致性，在確保結(jié)構(gòu)安全的基礎(chǔ)上，盡可能地減小剪力墻與結(jié)構(gòu)柱的截面尺寸。布置結(jié)構(gòu)梁時(shí)，應(yīng)盡量與建筑墻體保持同一寬度。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，在經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展的今天，人們的生活質(zhì)量在不斷提高，同時(shí)也對(duì)建筑提出了更高的要求。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的過(guò)程中，為了滿足人們對(duì)建筑的要求，提高建筑質(zhì)量，應(yīng)綜合性的考慮多方面內(nèi)容。