房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的研究與應(yīng)用

廖燦

（湖南湘永房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，湖南長沙 410000）

0 引言

房屋建筑結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)優(yōu)化的過程中，應(yīng)做多方案比選，不僅要安全可靠、技術(shù)可行，最大程度地提高建筑功能的使用性，還應(yīng)做到經(jīng)濟(jì)合理節(jié)省造價(jià)。這就需要在優(yōu)化過程中做大量的數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計(jì)工作。本文主要以長沙住宅項(xiàng)目為例，分析其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中使用的優(yōu)化方法，探究如何優(yōu)化房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而提高房屋建筑結(jié)構(gòu)的安全性與經(jīng)濟(jì)性，這對(duì)于促進(jìn)我國房屋建筑的發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化在實(shí)際工程中的重要意義

建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化是建筑工程項(xiàng)目前期的一項(xiàng)重要工作，由于每棟建筑物都具有自身的特殊性與復(fù)雜性，建筑物的使用功能和品質(zhì)難以與工程造價(jià)同時(shí)兼顧、均衡，故而只有在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)項(xiàng)目自身特點(diǎn)進(jìn)行反復(fù)優(yōu)化、比選，才能做到既保證建筑結(jié)構(gòu)的安全與品質(zhì)，又能合理控制工程造價(jià)。現(xiàn)階段，很多建設(shè)單位過于強(qiáng)調(diào)工程進(jìn)度，施工單位過于節(jié)省施工成本，導(dǎo)致很多施工單位一味追求進(jìn)度而不注重施工細(xì)節(jié)，從而大大降低施工質(zhì)量，使建筑物存在較大的安全隱患，而且品質(zhì)也很一般[1]。

2 房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程的優(yōu)化

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程的優(yōu)化主要包括設(shè)計(jì)方法優(yōu)化和設(shè)計(jì)流程優(yōu)化。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程優(yōu)化，首先，要重點(diǎn)關(guān)注結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)是否合理，各項(xiàng)計(jì)算假定與實(shí)際工況是否相符，從而確保實(shí)際工程與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本假定一致。只有做到概念設(shè)計(jì)合理，才能滿足結(jié)構(gòu)安全性、可靠性的要求，才能達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。其次，要對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)進(jìn)行控制，并根據(jù)國家規(guī)程、規(guī)范，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況、建筑物特點(diǎn)等展開優(yōu)化工作。由于不同的設(shè)計(jì)人員對(duì)規(guī)范、設(shè)計(jì)輸入條件會(huì)有不同的理解，而一旦計(jì)算參數(shù)輸入有誤，則會(huì)對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生較大影響，即結(jié)構(gòu)存在安全隱患或工程造價(jià)過高。所以在設(shè)計(jì)前期就必須控制計(jì)算模型參數(shù)的輸入，確保計(jì)算參數(shù)的準(zhǔn)確性。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程優(yōu)化，則需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)以往項(xiàng)目的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)對(duì)基本流程進(jìn)行梳理、優(yōu)化，減少在設(shè)計(jì)過程中的反復(fù)，從而確保項(xiàng)目后續(xù)的正常推進(jìn)。

總體而言，建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化主要可以從以下幾個(gè)方面考慮：①應(yīng)充分理解國家規(guī)范、規(guī)程的底層邏輯和使用條件，不能陷入盲目計(jì)算的誤區(qū)；②結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案是否能最大程度地滿足建筑使用功能；③設(shè)計(jì)是否考慮了當(dāng)?shù)厥┕ぜ夹g(shù)條件及材料供應(yīng)情況；④是否充分考慮了項(xiàng)目所在地的地質(zhì)情況及建筑周邊地理、環(huán)境情況。

3 房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的具體分析

3.1 地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

建筑地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，應(yīng)結(jié)合地質(zhì)詳勘資料進(jìn)行基礎(chǔ)方案比選。當(dāng)天然地基的承載能力與變形能夠滿足房屋建筑物的使用要求時(shí)，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先采用天然地基。采用天然地基能夠有效縮短建筑物基礎(chǔ)施工的時(shí)間，且成本較低。當(dāng)天然地基的變形和承載力不能滿足建筑物的設(shè)計(jì)荷載時(shí)，需要進(jìn)一步結(jié)合詳勘資料及基坑開挖的地質(zhì)情況，以及當(dāng)?shù)氐牡鼗幚斫?jīng)驗(yàn)等，考慮是否進(jìn)行地基處理而采用復(fù)合地基。只有對(duì)于復(fù)合地基不滿足變形及承載力要求的建筑才采用樁基礎(chǔ)。樁基礎(chǔ)的承載力取值和成樁工藝及樁型的地域性很強(qiáng)，故建筑樁基優(yōu)化時(shí)，還應(yīng)充分結(jié)合建筑物所在地的施工經(jīng)驗(yàn)。在進(jìn)行樁基礎(chǔ)方案優(yōu)化時(shí)，也應(yīng)進(jìn)行多樁型、多樁徑、多持力層的比選。例如長沙某高層住宅項(xiàng)目，設(shè)計(jì)樁型為人工挖孔樁，原樁端持力層為中風(fēng)化板巖，經(jīng)優(yōu)化持力層為強(qiáng)風(fēng)化板巖后，僅增加了樁端擴(kuò)大頭，但樁長減小約8m，最終，僅一棟建筑就能節(jié)省造價(jià)200多萬，同時(shí)還大大縮短了工期，優(yōu)化價(jià)值非?？捎^。

3.2 地下室結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

建筑地下部分的造價(jià)在整個(gè)項(xiàng)目中的占比很大，約22～25%，故對(duì)地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化尤為重要。地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化應(yīng)該從各專業(yè)、施工、材料、工期等對(duì)造價(jià)和投資進(jìn)行綜合比較。一般來說，地下室的層高每減小100mm，相應(yīng)建安成本可減少約1%～2%，見圖1。

圖1 長沙某住宅項(xiàng)目地下室結(jié)構(gòu)典型斷面

以長沙某住宅項(xiàng)目為例，經(jīng)多方案比選后，在保證同樣的建筑使用功能與品質(zhì)的前提下，該地下室樓蓋采用無梁樓蓋，基礎(chǔ)采用平板式筏基或抗水板。該項(xiàng)目地下樓蓋的設(shè)計(jì)中，雖然無梁樓蓋及平板式底板的鋼筋混凝土量和鋼筋用量比梁板式多，但是，由于采用無梁樓蓋和平板式筏基或抗水板，可減小地下室層高300mm，這不僅可以減少土方開挖量、減小基坑支護(hù)的高度和墻體高度，還可以減小水浮力對(duì)地下室整體抗浮和底板配筋的影響，同時(shí)還能減少防水面積，降低施工降水的費(fèi)用等，可謂是有百利而無一害。從而達(dá)到施工周期短，工程造價(jià)省，結(jié)構(gòu)品質(zhì)優(yōu)的目的。

3.3 剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

高層住宅建筑地上部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化最重要的便是剪力墻。高層建筑剪力墻應(yīng)沿兩個(gè)主平面雙向均勻布置，避免任一方向剪力墻布置過多（過少），使其兩個(gè)主平面方向剛度接近，從而達(dá)到較好的抗震性能和空間工作性能。剪力墻結(jié)構(gòu)還具有抗側(cè)向剛度大及豎向承載力高等優(yōu)點(diǎn)，為充分利用剪力墻的該性能，故剪力墻不宜布置太密，這樣不僅能減輕結(jié)構(gòu)自重，還能增大建筑可利用空間，且結(jié)構(gòu)又具有適宜的側(cè)向剛度。

剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化可以圍繞以下幾點(diǎn)進(jìn)行：①提高剪力墻的延性。根據(jù)建筑平面條件，應(yīng)盡量優(yōu)化控制剪力墻的墻肢長度與其厚度之比大于8，翼緣長度與其厚度之比大于等于3，避免形成較多的短肢剪力墻及一字形剪力墻；同時(shí)控制剪力墻的高寬比大于3，使其破壞形態(tài)為彎曲型破壞，提高剪力墻的延性，從而避免脆性破壞。若剪力墻設(shè)計(jì)過長，可通過中間開設(shè)洞口的方法，使其形成均勻的聯(lián)肢墻，同時(shí)洞口連梁宜采用跨高比大于6的弱連梁連接；②剪力墻在矩形平面中，雙向抗側(cè)剛度宜接近，避免懸殊。判斷依據(jù)可根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果中兩個(gè)主軸方向第一平動(dòng)周期相差是否大于20%，且兩個(gè)主軸方向的樓層層間位移角是否接近；③結(jié)構(gòu)的豎向抗側(cè)力構(gòu)件的截面尺寸和材料強(qiáng)度宜自下而上逐漸減小均勻變化，避免抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的剛度和承載力突變。

3.4 利用BIM技術(shù)優(yōu)化

BIM技術(shù)是一種可用于建筑工程設(shè)計(jì)的三維模型技術(shù)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)可將建筑結(jié)構(gòu)方案導(dǎo)入到BIM模型中，進(jìn)而生成相應(yīng)的三維圖。在此基礎(chǔ)上協(xié)同各專業(yè)設(shè)計(jì)，通過使用碰撞試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)分析等模塊，并對(duì)各種施工工況進(jìn)行仿真模擬，提前發(fā)現(xiàn)當(dāng)前設(shè)計(jì)方案中存在的不合理之處或沖突點(diǎn)，并據(jù)此開展進(jìn)一步的設(shè)計(jì)優(yōu)化。這樣一來，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案將在BIM技術(shù)的功能支持下不斷趨優(yōu)調(diào)整，真正做到“精準(zhǔn)設(shè)計(jì)”，直至最終獲得理想的設(shè)計(jì)成品。同時(shí)利用BIM技術(shù)優(yōu)化結(jié)構(gòu)還可大大縮短設(shè)計(jì)反復(fù)修改的時(shí)間，并能利用BIM模型準(zhǔn)確估算主體結(jié)構(gòu)工程量，對(duì)工程造價(jià)進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。

4 結(jié)論

綜上所述，房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的關(guān)鍵是從結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)和計(jì)算參數(shù)的合理性出發(fā)，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況對(duì)建筑地基基礎(chǔ)、地下室及地上部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行多方法、多維度設(shè)計(jì)優(yōu)化，以及利用BIM技術(shù)優(yōu)化建筑各專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)，減少錯(cuò)漏碰缺，從而達(dá)到項(xiàng)目設(shè)計(jì)最合理、施工品質(zhì)最優(yōu)、工程造價(jià)最省的目的。