淺析建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量

楊陽(yáng) 華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司安徽分公司

隨著經(jīng)濟(jì)的繼續(xù)發(fā)展和人口的增加，人民的生活水平也在不斷的提高，建筑業(yè)在許多方面受條件的影響也取得了很大進(jìn)展。然而，一些建筑企業(yè)的開(kāi)發(fā)商不負(fù)責(zé)任，總是想著低投資高回報(bào)，這也就導(dǎo)致了施工中使用的材料質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，從而降低了總體質(zhì)量和工期，這也帶來(lái)了重大的安全風(fēng)險(xiǎn)，一些專家在體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初期就提出了體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法，體系結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可以為開(kāi)發(fā)人員和建筑工人提供參考。

在對(duì)建筑整體進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，包括有很多優(yōu)化方法。不限于設(shè)計(jì)本身，還包括與建筑各方面相關(guān)的問(wèn)題。比如，如何提高建筑整體的舒適度，整體使用空間，增加建筑整體利潤(rùn)。從整體上優(yōu)化建筑的整體結(jié)構(gòu)意味著宏觀結(jié)果的結(jié)合。與“結(jié)構(gòu)分析”相比，結(jié)構(gòu)優(yōu)化應(yīng)綜合環(huán)境因素、建筑結(jié)構(gòu)的要求和限制等各種因素。并在此基礎(chǔ)上形成理想的方案。因此，結(jié)構(gòu)優(yōu)化是一項(xiàng)比結(jié)構(gòu)分析更加復(fù)雜和困難的任務(wù)。

一、建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的含義

優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要目的是滿足特定條件下的特定要求，優(yōu)化特定建筑設(shè)計(jì)指標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)最佳設(shè)計(jì)方法。建筑優(yōu)化項(xiàng)目，即在所有現(xiàn)有方案和做法中選擇最佳設(shè)計(jì)方法以滿足特定目標(biāo)的具體要求：

在傳統(tǒng)的意義上對(duì)建筑的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括有假設(shè)，分析，檢驗(yàn)以及在設(shè)計(jì)。等過(guò)程。首先是由工作人員根據(jù)以往的工作經(jīng)驗(yàn)來(lái)假定一個(gè)可行的設(shè)計(jì)方案，然后再通過(guò)工程力學(xué)的計(jì)算方法對(duì)該方案進(jìn)行結(jié)果分析，其主要目的就是檢測(cè)該方案是否可行，同時(shí)其某一方面是否能夠滿足要求，如果該方案切實(shí)可行，就可以將其直接作為可用方案。同時(shí)也可以針對(duì)現(xiàn)有的方案進(jìn)行比較分析從中獲得更為切實(shí)可行的方案，這種設(shè)計(jì)方法有一些缺點(diǎn)，只有根據(jù)設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)幾次反復(fù)計(jì)算，才能滿足審核要求。

然而，結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)更加廣泛和重要。建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是指對(duì)結(jié)構(gòu)的完整分析。該過(guò)程包括做出假設(shè)、分析假設(shè)、找到最優(yōu)解以及完成優(yōu)化設(shè)計(jì)。最重要的是搜索過(guò)程，也就是修改優(yōu)化的過(guò)程。首先要做的是確定當(dāng)前的設(shè)計(jì)是否是最佳的，包括針對(duì)特定的條件。如果不是這樣，則修改一些規(guī)則，以達(dá)到最佳指標(biāo)的目的。建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)主要包括從許多可用的選項(xiàng)和實(shí)踐中進(jìn)行選擇，即那些消耗最少材料和投入的選項(xiàng)和實(shí)踐，或者那些最適合其他指標(biāo)的選項(xiàng)和實(shí)踐。隨著優(yōu)化結(jié)果的參與，工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)從“分析+驗(yàn)證”轉(zhuǎn)變?yōu)椤熬C合+優(yōu)化”。這一進(jìn)展對(duì)于提高經(jīng)濟(jì)效率和技術(shù)結(jié)構(gòu)的運(yùn)作十分重要。

二、建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的意義

（1）建筑工程中，大部分投資費(fèi)用用于常用建筑材料，如鋼、混凝土等。這相當(dāng)于總成本的50%以上的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。但是，一旦建筑結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，這部分費(fèi)用將減少約20%。更重要的是，這些投資本質(zhì)上是風(fēng)險(xiǎn)性的。因此，優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)可以減少投資，提高投資者的盈利能力和資本收益發(fā)展。

（2）國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)單元在各個(gè)層面，設(shè)計(jì)者的想法有限，難以保證設(shè)計(jì)工作的質(zhì)量，從而導(dǎo)致到處停工返工的現(xiàn)象，在此期間，國(guó)內(nèi)的一些設(shè)計(jì)公司單位進(jìn)行了不具備成熟的優(yōu)化設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)思路保守，浪費(fèi)資源。建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以幫助設(shè)計(jì)師提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，最大限度地減少不必要的設(shè)計(jì)缺陷和施工風(fēng)險(xiǎn)，從而獲得高質(zhì)量的建筑。而且，這種做法也符合創(chuàng)建集約型國(guó)家的目標(biāo)和宗旨。

（3）加強(qiáng)國(guó)內(nèi)宏觀調(diào)控，建筑業(yè)原材料價(jià)格上漲，建筑業(yè)利潤(rùn)逐漸減少，節(jié)約已成為公司的重要手段。此時(shí)，從內(nèi)部入手，挖掘潛力，節(jié)約成本，已經(jīng)成為企業(yè)創(chuàng)造豐收的重要手段。優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)可以幫助公司實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，優(yōu)化設(shè)計(jì)可以科學(xué)合理地節(jié)約成本，提高企業(yè)盈利能力，最終實(shí)現(xiàn)公司的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

三、建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的內(nèi)容

（1）改進(jìn)剪力墻的設(shè)計(jì)，剪力墻計(jì)的關(guān)鍵是連梁的設(shè)計(jì)，連梁的形成是通過(guò)連接單個(gè)墻肢而形成的，這也就增加了對(duì)墻肢的限制。如果連梁的抗剪阻力太大，結(jié)構(gòu)的地震效應(yīng)會(huì)相應(yīng)地增加，施加在連梁和墻肢上的內(nèi)部張力也相應(yīng)地增加。因此，構(gòu)件和接頭的數(shù)量就需要相應(yīng)的得到增加，這就導(dǎo)致了材料嚴(yán)重浪費(fèi)等情況的發(fā)生。在設(shè)計(jì)房屋結(jié)構(gòu)時(shí)，設(shè)計(jì)師不能考慮窗下的墻作為連梁，相反，還需要將連梁設(shè)計(jì)成剛度小、截面小的弱梁。結(jié)果表明，切割墻越多，對(duì)結(jié)構(gòu)側(cè)面的阻力越大，結(jié)構(gòu)位移就越小。但問(wèn)題是結(jié)構(gòu)的地震力會(huì)相對(duì)的增加，這對(duì)成本的控制有著嚴(yán)重的影響。因此，剪力墻必須均勻、對(duì)稱且分散。將切割墻的數(shù)量降至規(guī)定的水平位移限值以下。

（2）加強(qiáng)建筑物抗震性能的優(yōu)化方法。增加建筑物的抗震防御，建筑抗震體系中，單個(gè)抗震體系應(yīng)包含多個(gè)具有延性較好的子系統(tǒng)，且具有良好的延性構(gòu)件應(yīng)協(xié)同工作。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度和強(qiáng)度之間的關(guān)系必須妥善處理。同一樓層中的關(guān)鍵元件會(huì)發(fā)生屈服，而其他的抗側(cè)力構(gòu)件則維持在彈性階段，以維持長(zhǎng)期的有效屈服，并可確保結(jié)構(gòu)的密度及穩(wěn)定性。注意整個(gè)建筑的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分布。如果一個(gè)零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常強(qiáng)，則其他零件可能會(huì)很弱。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)謹(jǐn)慎地僅驗(yàn)證特定部分或更改抗側(cè)力方法，而不要更改較小的構(gòu)件。在基于建筑性能的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要和可能的情況優(yōu)化整個(gè)結(jié)構(gòu)、組件或關(guān)鍵組件，以優(yōu)化整體性能的設(shè)計(jì)方案。

（3）觀察結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析方法的優(yōu)化。建筑結(jié)構(gòu)分析有多種方法，包括動(dòng)態(tài)彈性分析、彈性靜態(tài)分析、動(dòng)態(tài)彈性塑膠分析和靜態(tài)塑膠分析。通常，彈性方法可以計(jì)算建筑結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力，而框架梁和連接梁可以考慮重新分配由塑性變形引起的內(nèi)部硬度。確定結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的方法必須由結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況決定，但基本上在選擇分析模型時(shí)，必須準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力狀態(tài)。對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)分析，可以選擇計(jì)算分析模型，例如空間碗系統(tǒng)、平面結(jié)構(gòu)空間、條形墻板空間單位、條形壁空間碗系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行全局計(jì)算。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，將有設(shè)計(jì)者采取這些措施，將小跨高比的梁、連梁等構(gòu)件作為空間桿件模型，非常不合理。因此，對(duì)于某些不符合系統(tǒng)要求的構(gòu)件，可以在設(shè)計(jì)中使用有限元分析方法來(lái)幫助分析。同時(shí)，在計(jì)算模型時(shí)，無(wú)法模擬某些復(fù)雜元件的節(jié)點(diǎn)，此時(shí)也可以使用有限元分析來(lái)分析節(jié)點(diǎn)。

四、結(jié)語(yǔ)

隨著經(jīng)濟(jì)條件的不斷發(fā)展，在建筑施工過(guò)程中，一些具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要優(yōu)化，再見(jiàn)，優(yōu)化過(guò)程不僅要優(yōu)化投資成本，還要在建筑過(guò)程中優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)，從而提高建筑的投資成本和建筑的整體質(zhì)量。