房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計探討

周皓，沈陽

（浙江省建筑設(shè)計研究院，杭州 310010）

1 建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的意義

1.1 有利于提高材料的有效利用率

在我國建筑行業(yè)長期的發(fā)展過程中，人們越來越重視建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的作用，各個工程企業(yè)在參與房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，都希望以最少的資金投入和材料消耗來達到最佳的建筑結(jié)構(gòu)效果。從結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的角度來看，結(jié)構(gòu)性能最佳的方案并不意味著材料利用率也是最高的。因此，專業(yè)設(shè)計人員在開展房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要綜合考慮多種因素，提高建筑材料的綜合利用率，注重新型建筑材料的使用。而房屋建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計在很大程度上可以提升材料的利用率，比如，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，可以使用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是一種新型建筑材料，充分發(fā)揮了鋼管和混凝土材料在建筑結(jié)構(gòu)中的作用，提高了結(jié)構(gòu)的抗變形能力和抗壓強度，與一般的鋼結(jié)構(gòu)相比，在結(jié)構(gòu)承載力、自重大致相同的條件下，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的鋼材使用量減少，僅為普通鋼結(jié)構(gòu)的50%，且在結(jié)構(gòu)施工過程中的焊接工藝相對簡單[1]。

1.2 有利于提高建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性

隨著我國城市化進程的推進，房屋建筑呈現(xiàn)出高層化的發(fā)展趨勢，高層建筑的出現(xiàn)雖然緩解了土地資源緊張的局面，但是，增加了房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的難度。因為隨著建筑高度的增加，墻體面積、柱結(jié)構(gòu)體積以及建筑的結(jié)構(gòu)自重將大幅度增加，需要使用的各類建筑材料也相對較多。通過科學(xué)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，在很大程度上可以在滿足結(jié)構(gòu)性能要求的基礎(chǔ)上，節(jié)約各種施工材料，提高建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性[2]。

2 建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的步驟

2.1 建立結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型

房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的難度較大，主要是因為整個結(jié)構(gòu)中的構(gòu)成要素非常多，且不同的構(gòu)成要素之間都存在著緊密的關(guān)聯(lián)性，這就要求結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計從整體的角度出發(fā)。為了保障優(yōu)化設(shè)計的效果，首先應(yīng)建立建筑結(jié)構(gòu)模型，從多個變量中選擇最為重要的參數(shù)，以這些參數(shù)構(gòu)建函數(shù)模型，計算得出最優(yōu)解，作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的依據(jù)[3]。

2.2 對變量進行選擇

變量的選擇是建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的一個關(guān)鍵內(nèi)容，在前期的模型建立和目標函數(shù)確定的基礎(chǔ)上進行變量選擇。選擇變量時，設(shè)計人員需要結(jié)合建筑本身的結(jié)構(gòu)形式，對可能影響建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的因素進行分析和控制，并從這些因素中選擇對結(jié)構(gòu)設(shè)計影響較大的變量，對其進行計算和控制，這種方式可以將建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化過程得到全面的展現(xiàn)。

2.3 結(jié)果分析

結(jié)果分析是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的最終環(huán)節(jié)，這一環(huán)節(jié)需要依據(jù)程序運行的結(jié)果進行相應(yīng)的分析，并作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的參考。優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計方案時，應(yīng)理清楚建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性和技術(shù)性之間的關(guān)系，盡量減小二者之間的沖突，積極采用現(xiàn)代化的計算機技術(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，保障最終的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案是合理的、科學(xué)的。

3 房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的內(nèi)容

3.1 整體優(yōu)化和局部優(yōu)化

房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的層次性和復(fù)雜性特征突出，從層次性角度來分析，整個房屋建筑設(shè)計中涉及了結(jié)構(gòu)設(shè)計、安裝設(shè)計等諸多分支，且不同的分支下還細分了很多的設(shè)計要素，因此，應(yīng)根據(jù)整體結(jié)構(gòu)和局部結(jié)構(gòu)的要求和特點來開展有針對性的設(shè)計，解決結(jié)構(gòu)設(shè)計方面所面臨的各種難題。其次，從復(fù)雜性的角度來看，房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅包含了基本的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化，更是涉及了原材料的選擇、零部件的使用、結(jié)構(gòu)構(gòu)件的選擇等內(nèi)容[4]。因此，為保障結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化效果，應(yīng)從整體優(yōu)化和局部優(yōu)化的協(xié)調(diào)關(guān)系出發(fā)，處理好每個結(jié)構(gòu)的細節(jié)問題。比如，在主體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中，應(yīng)從墻面結(jié)構(gòu)優(yōu)化、支撐體系優(yōu)化的角度，對墻面厚度、寬度等各種參數(shù)加以細微調(diào)整，保障整體結(jié)構(gòu)和局部結(jié)構(gòu)之間的協(xié)調(diào)性。

3.2 基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計

房屋建筑的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)對于整體結(jié)構(gòu)的影響是非常大的，基礎(chǔ)設(shè)計是否合理會關(guān)系到房屋建筑的穩(wěn)定性與安全性。因此，進行房屋建筑工程基礎(chǔ)設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)工程現(xiàn)場的地質(zhì)條件選擇最為恰當?shù)幕A(chǔ)結(jié)構(gòu)類型。比如，一些房屋建筑的筏板基礎(chǔ)設(shè)計中，常常會面臨上下柱墩抗沖切情況，當墩柱尺寸相同時，上柱墩可以滿足沖切需求，而下柱墩卻難以達到?jīng)_切標準，這種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方面的問題往往是由于上柱墩與沖切線之間存在相交的情況，而相同尺寸的下墩柱與沖切線不相交；上下墩柱選擇不合理，一旦在基礎(chǔ)施工過程中土方的開挖量相對較大時，往往需進行下柱墩的科學(xué)設(shè)計。針對筏板基礎(chǔ)設(shè)計方面的這一問題，應(yīng)結(jié)合具體的基礎(chǔ)設(shè)計標準進行各個細節(jié)的科學(xué)設(shè)計和調(diào)整?？傊魏蔚姆课萁ㄖA(chǔ)設(shè)計中，專業(yè)設(shè)計人員都應(yīng)加強對地基地質(zhì)、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)等方面的綜合分析，在最終的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案確定時，充分從結(jié)構(gòu)可靠性、施工成本和施工技術(shù)的角度出發(fā)優(yōu)化方案。比如，如果工程現(xiàn)場的承載力比較好，可以采用淺基礎(chǔ)，而工程現(xiàn)場地基承載力不足、土質(zhì)較差的情況下，需進行地基加固處理，選用樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)等，但無論采用的是哪種樁基礎(chǔ)，都要注意基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化。

3.3 上部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

因為當前的房屋建筑多以高層建筑為主，上部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化是整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化的關(guān)鍵，優(yōu)化上部結(jié)構(gòu)時，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)安全性和穩(wěn)定性的標準保障剪力墻布設(shè)的科學(xué)性。一般情況下，在剪力墻布設(shè)的過程中，需遵循均勻性，使對稱樓的平面中心、同樓層結(jié)構(gòu)中心相互重合，通過這些結(jié)構(gòu)的優(yōu)化來提高剪力墻的抗震性。當房屋建筑的結(jié)構(gòu)滿足相關(guān)設(shè)計標準后，可盡量選用大開間的剪力墻形式，以通過適當增大剪力墻墻肢、控制墻肢數(shù)量的方式來減少在剪力墻建設(shè)中的混凝土使用總量。另外，剪力墻暗柱中的鋼筋材料使用較多，大開間剪力墻的鋼筋材料用量也會有所減少。

3.4 抗震結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

抗震設(shè)計是建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中不可忽視的重點，不僅可以提高建筑抵御地震等自然災(zāi)害的能力，還可以有效提高建筑的質(zhì)量水平。抗震結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計通常采用對稱設(shè)計，當建筑結(jié)構(gòu)是不對稱設(shè)計時，要保證結(jié)構(gòu)平面位置的質(zhì)心和剛心重合，同時，還要根據(jù)情況設(shè)置多道抗震防線，使建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能得到整體提高。

3.5 排水結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)優(yōu)化

排水結(jié)構(gòu)同樣屬于房屋建筑結(jié)構(gòu)中的重點構(gòu)成，房屋建筑中基本上都有給排水專用房，其中安置著各種機械設(shè)備，這種情況下，整個房屋建筑的結(jié)構(gòu)負載量大大增加，因此，一般會將水泵設(shè)置在地下室內(nèi)。因為排水房中的管道數(shù)量非常多，且各種管道的尺寸等也存在著明顯的區(qū)別，因此，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中，需對樓板上的穿孔位置進行適當?shù)恼{(diào)整和優(yōu)化，預(yù)留孔洞的數(shù)量和尺寸都應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)要求。

4 房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化策略

4.1 結(jié)構(gòu)專項設(shè)計方案的精細化分析優(yōu)選

對房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計而言，其優(yōu)化設(shè)計的任務(wù)繁重，需要考慮的因素非常多，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中往往會制訂多種優(yōu)化方案，為保證最終的結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果，設(shè)計人員應(yīng)與現(xiàn)場施工人員等充分協(xié)商，對結(jié)構(gòu)專項優(yōu)化方案開展精細化的分析和對比，選擇最佳的優(yōu)化策略。比如，在基礎(chǔ)專項設(shè)計中，要根據(jù)地基參數(shù)進行天然地基和樁基的方案對比，如果采用樁基礎(chǔ)，要確定選擇預(yù)制樁還是混凝土灌注樁。在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案的選擇和優(yōu)化中，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場的地質(zhì)地形調(diào)查結(jié)果對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案開展經(jīng)濟性與技術(shù)性評估[5]。

4.2 提高房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量

房屋建筑工程的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中，最需要關(guān)注的就是建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量問題，結(jié)構(gòu)設(shè)計方案確定時，要嚴格遵守國家規(guī)定的建筑規(guī)范，提高建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計人員對質(zhì)量工作的重視，嚴格把控結(jié)構(gòu)設(shè)計中的每個細節(jié)，以質(zhì)量標準作為前提，繼而實現(xiàn)最終的結(jié)構(gòu)性能。隨著計算機軟件在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的廣泛應(yīng)用，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員要能熟練掌握相關(guān)設(shè)計軟件的操作要求和應(yīng)用條件，熟悉各設(shè)計參數(shù)的分析和提取，促進建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量的提升。設(shè)計人員要對影響優(yōu)化設(shè)計的各種因素進行綜合考慮，提高設(shè)計方案的經(jīng)濟性和合理性，結(jié)合以往結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗，對受力構(gòu)件的荷載情況進行評估，對于可能出現(xiàn)的安全與質(zhì)量問題做到預(yù)想預(yù)防，并針對性地提出解決方案。根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)實際情況確定結(jié)構(gòu)的計算機模型，加強對結(jié)構(gòu)分析方法的優(yōu)化，進而提升建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性和準確性。此外，設(shè)計人員在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化過程中，要遵守各項規(guī)章制度和法規(guī)，結(jié)合工程實際提高概念設(shè)計的重視程度，做好房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量工作。

4.3 提高建筑結(jié)構(gòu)與外觀的協(xié)調(diào)性

房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化中需要協(xié)調(diào)的因素非常多，為達到最優(yōu)的優(yōu)化設(shè)計效果，相關(guān)人員在設(shè)計優(yōu)化的過程中，需注重結(jié)構(gòu)與外觀、功能的協(xié)調(diào)性。從本質(zhì)來看，房屋建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計與外觀設(shè)計之間存在著緊密的聯(lián)系，在很多建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中都會面臨結(jié)構(gòu)與外部不協(xié)調(diào)的現(xiàn)象，如果在結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的過程中不能兼顧，就需要選擇折中的設(shè)計方法。現(xiàn)階段，隨著人們對房屋建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了越來越高的要求，在結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的過程中更要注重多方面協(xié)調(diào)性因素的考慮，充分從多個角度來保障優(yōu)化效果，促進房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標的實現(xiàn)。

5 結(jié)語

現(xiàn)階段的房屋建筑工程項目中，結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的問題較為嚴重，為達到房屋建筑結(jié)構(gòu)的各方面要求，各個工程企業(yè)都應(yīng)根據(jù)房屋建筑的結(jié)構(gòu)目標，做好結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的優(yōu)化，充分考慮各方面的影響因素，選擇最為恰當?shù)膬?yōu)化方式，避免房屋建筑結(jié)構(gòu)存在設(shè)計缺陷和漏洞。