建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的運(yùn)用分析

景毅

摘 要：該文簡要說明了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的涵義與特點(diǎn)，闡述了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用的必要性，分析了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用的注意事項(xiàng)，并論述了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的實(shí)際運(yùn)用。

關(guān)鍵詞：建筑 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 優(yōu)化方法 房屋結(jié)構(gòu) 運(yùn)用

中圖分類號：TU2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）09（c）-0036-01

1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的涵義及特點(diǎn)

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法就是在考慮建筑施工方便性的同時(shí)，將建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法與審美學(xué)、藝術(shù)學(xué)等進(jìn)行有機(jī)整合，將房屋功能和建設(shè)目的全部涵蓋在內(nèi)的一種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，然后再將所有可能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化選擇，得到安全適用，又美觀大方，同時(shí)保證質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)性和施工方便性。因此，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法多學(xué)科聯(lián)合性廣；（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法美觀性強(qiáng)；（3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法質(zhì)量安全性高；（4）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法實(shí)用性強(qiáng)；（5）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法既節(jié)能又環(huán)保；（6）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)；（7）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法便于施工管理；（8）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法科學(xué)性強(qiáng)；（9）建筑師在保證設(shè)計(jì)安全的前提下，應(yīng)該敢于挑戰(zhàn)新的結(jié)構(gòu)形式[2]，因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的創(chuàng)新性高。

2 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用的必要性

傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)注重安全質(zhì)量，在建筑造價(jià)上控制不到位，常使得工程在設(shè)計(jì)階段造價(jià)增長5～8%左右，而且建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往存在一定的缺陷，在美觀上也不講究，千篇一律。這些因素都不符合現(xiàn)代人們對于居住房屋的心理需求。在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，能夠?qū)徝纼r(jià)值、實(shí)際使用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，生態(tài)價(jià)值等進(jìn)行統(tǒng)一和整合，降低房屋工程造價(jià)，節(jié)約原材料，保證房屋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、使用壽命長，具有較高的藝術(shù)性等，從而實(shí)現(xiàn)房屋建筑的綜合效益[3]。另外，應(yīng)用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法可以節(jié)約成本30%左右，實(shí)現(xiàn)建筑材料的資源優(yōu)化配置，提高材料的使用率，對于提高建筑企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，保證其可持續(xù)性發(fā)展具有非常重要的作用。因此，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的運(yùn)用是十分必要的。

3 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用的注意事項(xiàng)

雖然建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用具有較多的優(yōu)勢，但是，各建筑企業(yè)及開發(fā)商必須堅(jiān)持工程質(zhì)量第一的原則下，才可以選擇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法。切不可過分追求藝術(shù)性和企業(yè)利益，利用縮減建材、降低質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、削弱技術(shù)性能等方法來獲得最優(yōu)施工設(shè)計(jì)方案[4]，很顯然，這種最優(yōu)方案帶給業(yè)主的將會(huì)是一個(gè)只可遠(yuǎn)觀，不可近用的不合格產(chǎn)品，嚴(yán)重?fù)p害業(yè)主的利益。這是房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法需要注意的原則問題。另外，在實(shí)際應(yīng)用中，由于實(shí)際工況的原因，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的運(yùn)用還需要用概念設(shè)計(jì)來指導(dǎo)和檢驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果的合理性[5]。

4 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的實(shí)際運(yùn)用

某房屋工程為五層寫字樓，總面積為6375 m2，長度為56.2 m，寬度為16.2 m，房間開間為4.8 m，走廊寬2.4 m，層高為3.6m。以粉細(xì)砂層為基礎(chǔ)持力層，凍土深度1.03 m，地下水位埋深約為4 m，抗震設(shè)防烈度為8°。對于此工程運(yùn)用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法主要從建筑整體和分部結(jié)構(gòu)兩方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化。

4.1 房屋建筑整體的設(shè)計(jì)優(yōu)化

對房屋建筑整體的設(shè)計(jì)優(yōu)化需要先建立結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，再選擇優(yōu)化計(jì)算方案和程序，然后進(jìn)行計(jì)算結(jié)構(gòu)的科學(xué)分析三個(gè)步驟來實(shí)現(xiàn)。第一步：（1）選擇并確定設(shè)計(jì)變量。設(shè)計(jì)變量一般選擇對建筑設(shè)計(jì)發(fā)揮著較大影響的因素作為參數(shù)，將那些對建筑設(shè)計(jì)發(fā)揮著較小影響的因素作為預(yù)定參數(shù)，降低設(shè)計(jì)工作量；（2）確定優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)；（3）確定模型約束條件。一般在房屋可靠度優(yōu)化設(shè)計(jì)中，其約束條件主要包括結(jié)構(gòu)強(qiáng)度約束、應(yīng)力約束、變形約束、裂縫約束、彈性約束等。第二步，在應(yīng)用房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法時(shí)，建立于可靠度的優(yōu)化設(shè)計(jì)變量較多、非線性優(yōu)化較多，為方便進(jìn)行計(jì)算，將約束優(yōu)化轉(zhuǎn)變?yōu)闊o約束問題進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方法主要包括拉式乘法、Powell法等。根據(jù)優(yōu)化模型與計(jì)算方法，設(shè)計(jì)計(jì)算程序。第三步，通過優(yōu)化模型的建立與求解，可以發(fā)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的不合理問題，提出解決方案，對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化處理，從而實(shí)現(xiàn)房屋結(jié)構(gòu)的適用性、安全性、經(jīng)濟(jì)性。

4.2 房屋建筑分部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

（1）建筑基礎(chǔ)拉梁設(shè)計(jì)優(yōu)化。該寫字樓高度為18.2 m，抗震設(shè)防烈度為8度，為了達(dá)到抗震效果建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為短柱形式。將相鄰兩短柱中心距的1/20作為基礎(chǔ)拉梁截面高度。在建筑施工中，建筑高度較低時(shí)，可以應(yīng)用最小鋼筋使用率，但是為了保證建筑抗震結(jié)構(gòu)及拉梁正負(fù)彎矩與建筑上部混凝土框架處于一致狀態(tài)，就需要就基礎(chǔ)拉梁設(shè)計(jì)為最大。

（2）基礎(chǔ)設(shè)計(jì)荷載設(shè)計(jì)優(yōu)化。由于該寫字樓工程只有五層，不需要進(jìn)行建筑基礎(chǔ)抗震能力校驗(yàn)。建筑結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架體系，在進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)，需要考慮到風(fēng)荷載問題。

（3）鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化。該建筑采取的是鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系，需要應(yīng)用準(zhǔn)則法進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化。在已知建筑結(jié)構(gòu)截面的前提下，運(yùn)用有限單元法，對建筑整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，再進(jìn)行結(jié)構(gòu)分解，將每一構(gòu)件受力進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，經(jīng)過公式推算，計(jì)算出鋼筋混凝土框架的最優(yōu)級結(jié)構(gòu)。

（4）建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算周期設(shè)計(jì)優(yōu)化。由于寫字樓設(shè)計(jì)為輕質(zhì)墻體，為了提高建筑質(zhì)量，盡可能的使其使用年限等同于設(shè)計(jì)所限，需要對建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算周期乘以折減系數(shù)0.7～0.8進(jìn)行折減計(jì)算。

5 結(jié)語

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法能夠在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中將安全美觀性和經(jīng)濟(jì)適用性完美的結(jié)合起來，滿足人們對房屋居住質(zhì)量的要求，同時(shí)提升人們的審美觀和文化素養(yǎng)。而且能夠降低工程造價(jià)，提高企業(yè)的建筑利潤，更好的促進(jìn)企業(yè)可持續(xù)化發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 王也.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].中華民居（下旬刊），2013（3）：81-82.

[2] 鄒俊.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用[J].科技傳播，2010（19）：139.

[3] 胡天水.房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化[J].中華民居（下旬刊），2013（4）：45-46.

[4] 周漢杰.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].中華民居（下旬刊），2014（1）：117.

[5] 何冬霞.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的實(shí)際應(yīng)用[J].中華民居（下旬刊），2013（10）：18-19.