淺談結構設計優化在房屋建筑結構設計中的應用

摘要：在保證建筑結構能有長期效益的基礎上，不僅應該不斷提高建筑結構的安全性和合理性，還應該盡最大可能降低建筑工程的成本和投資。本文簡要分析了結構設計優化技術在鋼筋混凝土建筑結構設計中的應用。

關鍵詞：結構設計；房屋結構；優化技術

在設計建筑結構的過程中，在基本理解建筑設計師的設計思想的前提下，應該使平面布局盡可能對稱和規則，使質心和剛度中心之間的差異盡量減少，以使建筑物在水平力的作用下不會發生很大程度的扭轉。縱向布局上，在滿足功能性要求的基礎上，盡可能使垂直承重構件能夠上下連通；為了降低結構分析和設計上的困難程度，節省建筑成本，應該盡最大能力避免使用轉換層；垂直剛度最好不要發生突變，而是進行漸變，以防止在水平荷載作用下突變的地方出現嚴重的應力集中問題，這對整個結構的水平荷載承受能力是沒有好處的。由此看來，房屋建筑的結構設計中有著很多值得學習和研究的問題。

1房屋結構優化設計的現實意義

在房屋結構的設計中采用結構設計優化技術，不僅達到了房子實用、美觀的效果，而且還能在很大程度上節約建設成本，實現了“物美價廉”的期望。所有的建筑商都期待能夠在保證建筑結構長期有效的基礎上，最大可能地提高建筑結構的安全性和可靠性，同時也能最大限度地減少建筑工程的投資成本，這樣才能更好的實現可持續發展，創造更大的經濟效益和社會價值。另外，它能夠為建筑的整體設計方案進行科學的決策，完美地實現了適用、經濟和安全的設計目標。

通常，結構設計的工作主要是根據建筑設計的要求，采用合理的設計理念和方法，來確定適當的結構形式、布置以及具體的構件設計尺寸。對常見的鋼筋混凝土住宅結構體系進行優化時，可以從結構整體的布局以及具體構件兩方面的因素來加以考慮。影響結構整體布局的因素包括了建筑物的體型特征、柱網尺寸、層高以及抗側力構件的位置等；具體構件因素主要包括結構的布置、構件的截面、混凝土和鋼筋強度等級及配筋構造等。綜合考慮兩方面的因素影響是必須的，為了實現這一目標，對工程師提出了更高的要求，即需要結構工程師對結構和構件受力特征有充分的把握，能根據構件設計的合理經驗和規范的深刻理解，采用合理優化方法進行有效設計。

2房屋建筑結構設計優化的措施

2.1進行正確的結構計算

一體化計算機結構設計程序的不斷完善和全面應用，使結構工程師從繁重復雜的結構計算中解脫出來。結構工程師可以在概念、經驗和估算的基礎上借助計算機進行可靠的分析計算，經過多次計算比較和調整，使結構設計更加合理和經濟。在利用計算機結構設計程序進行結構計算時，要注意以下問題：不能盲目的依賴計算機；對于輸入的幾何圖形、構件尺寸、荷載數據等應認真核對，力求準確無誤；對計算參數的選取要正確合理；注意實際結構與計算模型的差異。

2.2加強剪力墻的設計

剪力墻設計中連梁的設計是關鍵。聯肢墻是通過連梁連接的各墻肢聯結而成，從而增加了墻肢的約束條件。連梁的剛度增大必將使得結構的地震作用也增大，這樣連梁和墻肢分配內力也相應增大，此時必須增大構件的配筋量，顯然這一設計結果必然會造成材料的浪費。因此，在住宅結構設計時，有經驗的設計師都不會采用大剛度的窗下墻作為連梁，而是將連梁設計成為截面、剛度較小的弱連梁。顯然，剪力墻數量越多，結構抗側力剛度愈大，相應結構位移會減小，但是結構地震力會隨抗側力剛度增大而加大，對結構的造價控制不利。因此剪力墻應以周邊均勻、對稱、分散等原則合理布置，以規范規定的水平位移限值為準盡可能減少剪力墻數量。

2.3 選擇節能指標較高的結構類型

選擇不同的房屋結構形式，就相當于選擇了不同的建筑模式，通常，結構設計模式有以下三種。

（1）短肢剪力墻和一般剪力墻相結合的結構。高層建筑通常采用這種結構，它依托于混凝土結構技術，相比于剪力墻結構，鋼筋的使用數量也較少。（2）框架結構。這種結構的優勢在于開間大、布局靈活、成本低廉，但它的抗震能力比剪力墻結構弱，較大的支柱截面形成外凸的柱角會妨礙家具的布置。（3）框架—剪力墻結構。這種結構是在框架結構中合理的布置一定量的剪力墻，形成結構更合理、適用性更好、抗變形壓力更強的結構。上面三種結構模式各有優缺點，我們在選擇結構模式時，不能片面認為成本最低的解決方案就是最科學、最合理的方案，而應該根據房屋業主的功能需求、建設單位投資水平和施工能力等因素全面分析結構類型，均衡優化投資和收益，基于項目實際情況客觀地選擇最合適的結構模式。

2.4注重細部結構優化

在注重整體設計的同時，也應加強結構局部構件的精細設計。比如現澆板設計中盡量把異形板劃分為矩形板，這樣既達到合理受力的目的，也避免了拐角裂縫的出現。

3樹立精品意識

對結構優化設計的過程是結構工程師打造設計精品的過程，要求結構工程師不僅要具備深厚扎實的專業基本理論基礎、豐富的實際工作經驗、更要有盡心盡力、精益求精、追求完美的精品意識。設計單位要提高市場競爭能力，必須實施精品戰略，走精品之路。改變以往在管理上重業務經營輕技術質量，造成設計人不注重技術水平的提高，設計只要保證不出大的質量問題，方案的好壞、造價的高低無關緊要，使優化設計失去內在動力。導致對設計方案不認真進行經濟分析，而是為保險起見，隨意加大安全系數，造成投資浪費。只有在單位內部管理上把設計質量同個人效益掛鉤，才能提高設計人員的質量意識和經濟觀念，使結構專業經濟化。

總而言之，建筑結構的成本在建筑工程中占非常大的比例，而采用結構設計優化技術產生的經濟效益是十分可觀的。建筑設計單位和設計師要把握“經濟、合理、適用”的設計原則，采用先進的科技方法，科學地選擇結構設計方案，綜合思考，用心設計，以實現建設成本較低、經濟效益最大的目標。

參考文獻：

[1]王光遠.工程結構與系統抗震優化設計的實用方法[M].北京:中國建筑工業出版社，2012，35-37.

[2]蔣啟平.工程結構優化設計的新方法[J].工業建筑，2001，03.

[3]李鋒.淺談現代建筑結構優化設計[J].科技資訊，2010，26.