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

■胡文超 ■中國瑞林工程技術(shù)有限公司建筑設(shè)計(jì)研究院，江西 南昌 330000

房屋建筑的性能指標(biāo)包括房屋建筑的安全性、耐久性、經(jīng)濟(jì)性和美觀性等、房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量的優(yōu)劣，關(guān)系到建筑物整體功能的發(fā)揮、改革建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案不但是節(jié)約建筑成本，便于施工操作的具體措施，更是滿足人們對(duì)房屋功能的需要，為廣大民眾提供良好舒適的生活居住環(huán)境。

在滿足建筑結(jié)構(gòu)長遠(yuǎn)效益的前提下，應(yīng)盡量減少建筑結(jié)構(gòu)的近期投資并提高建筑結(jié)構(gòu)的可靠度和合理性。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，采用設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)可以使建筑工程造價(jià)降低5%～30%。優(yōu)化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，可以最合理的利用材料的性能，使建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部各單元得到最好的協(xié)調(diào)，并具有建筑規(guī)范所規(guī)定的安全度。還可為建筑整體性方案設(shè)計(jì)進(jìn)行合理的決策，優(yōu)化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)的“適用、安全和經(jīng)濟(jì)”目標(biāo)的有效途徑。

1 房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要重視概念設(shè)計(jì)優(yōu)化

房屋建筑結(jié)構(gòu)的布置方案可能有很多種，對(duì)于統(tǒng)一建筑，可以選擇不同的結(jié)構(gòu)布置方案、而對(duì)于已經(jīng)確定結(jié)構(gòu)布置的房屋建筑，有與分析方法的不同，也會(huì)在考慮相同荷載作用的情況下選擇不同的分析方法。此外，房屋建筑的設(shè)計(jì)選用的設(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)，選擇用的建筑材料和荷載標(biāo)準(zhǔn)值得去法等都會(huì)對(duì)房屋建筑設(shè)計(jì)產(chǎn)生一定的影響，這些因素都有設(shè)計(jì)人員去決定，而設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)在此時(shí)就發(fā)揮了重要的作用，經(jīng)驗(yàn)豐富的房屋建筑設(shè)計(jì)人員，在面對(duì)這些問題時(shí)，就會(huì)對(duì)房屋建筑的情況進(jìn)行全面綜合的考慮，然后做出合理正確的判斷，選擇靈活的設(shè)計(jì)方案，這就是所說的概念的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中優(yōu)化技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

2.1 第一階段

第一階段是變量的選擇通常情況下，對(duì)設(shè)計(jì)人員決定最終設(shè)計(jì)方案起到重要作用的參考數(shù)據(jù)，都可以作為變量供設(shè)計(jì)者進(jìn)行選擇。如工程的目標(biāo)參數(shù)包括房屋價(jià)格參數(shù)和預(yù)期產(chǎn)生的損失參數(shù);工程的控制與約束參數(shù)包括表示房屋架構(gòu)可靠性能的參數(shù)等。

如果房屋建筑的設(shè)計(jì)者以變化幅度較小或考慮因素較少的參數(shù)作為設(shè)計(jì)的參考指標(biāo)，那么相應(yīng)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。編程和計(jì)算有關(guān)工作難度將會(huì)降低，設(shè)計(jì)者也可以更好地找到符合優(yōu)化設(shè)計(jì)的參考數(shù)據(jù)。

2.2 第二階段

第二階段是對(duì)相關(guān)函數(shù)的確定。設(shè)計(jì)者要根據(jù)事先設(shè)定的房屋橫截面尺寸和鋼筋尺寸面積的那一組函數(shù)，從眾多組相似的參考函數(shù)中進(jìn)行合理科學(xué)的選取，并分析這組數(shù)據(jù)函數(shù)的相關(guān)各種性質(zhì)，從而最大限度的降低房屋建造的成本費(fèi)用。

2.3 第三階段

第三階段是條件的衡量。處于對(duì)增強(qiáng)房屋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐用性的考慮，房屋設(shè)計(jì)的約束指標(biāo)應(yīng)當(dāng)包括房屋尺寸、架構(gòu)剛性、受力限度和變形限度、結(jié)構(gòu)的可塑程度和結(jié)構(gòu)的確定程度等。

在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)結(jié)合房屋建造工程的具體情況，對(duì)施工實(shí)際中的約束性條件和目標(biāo)確定的約束性條件進(jìn)行比較和分析，確保各種條件都符合相關(guān)的建筑規(guī)定要求，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

選擇節(jié)能指標(biāo)較高的結(jié)構(gòu)類型。房屋結(jié)構(gòu)形式的選擇，意味著選擇不同工程造價(jià)的建設(shè)模式，常見的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式有如下三種。

短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)形式常見于高層建筑，以混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程為依托，這種結(jié)構(gòu)形式相對(duì)于剪力墻的抗震級(jí)別要高，比起剪力墻，構(gòu)造鋼筋使用數(shù)量不多。

框架結(jié)構(gòu)，具有大開間、布局靈活性強(qiáng)和造價(jià)成本低的優(yōu)點(diǎn)，但這種結(jié)構(gòu)抗震能力弱，柱截面較大，形成的柱角凸出部位會(huì)妨礙家具的布置。

框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，即在框架結(jié)構(gòu)中合理進(jìn)行一定數(shù)量剪力墻的布置，這種結(jié)構(gòu)合理，適用能力強(qiáng)，而且能夠應(yīng)對(duì)各種不同的變形壓力，是一種抗側(cè)力較好的結(jié)構(gòu)。

3 房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)信息優(yōu)化技術(shù)

由于房屋建筑結(jié)構(gòu)受到設(shè)計(jì)變量等條件的約束，難以用單一的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。鑒于房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，應(yīng)該開發(fā)一種較為實(shí)用方便的參數(shù)定義優(yōu)化軟件，減少設(shè)計(jì)者在結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面的精力和時(shí)間。筆者較為推崇的是TBCAD 系統(tǒng)，這種系統(tǒng)是針對(duì)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)、建模、分析、評(píng)估等為一體的成本控制軟件系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案的指導(dǎo)設(shè)計(jì)，使得方案的人力、物力和財(cái)力資源等趨于最優(yōu)狀態(tài)系統(tǒng)的信息分為兩個(gè)時(shí)間段進(jìn)行優(yōu)化，第一個(gè)時(shí)間段是通過對(duì)材料的分配調(diào)整，使用最少的混凝土用量滿足側(cè)向剛度的要求，系統(tǒng)在這個(gè)時(shí)間段的目標(biāo)函數(shù)是混凝土的使用量，而結(jié)構(gòu)構(gòu)件的斷面大小則是設(shè)計(jì)的變量、第二個(gè)時(shí)間段是對(duì)構(gòu)件強(qiáng)度的優(yōu)化，通過對(duì)構(gòu)件結(jié)構(gòu)的斷面大小以及鋼用量的調(diào)整，使得構(gòu)件的強(qiáng)度要求實(shí)現(xiàn)只需較少的結(jié)構(gòu)造價(jià)。

4 各種功能結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)容

結(jié)構(gòu)抗震的經(jīng)濟(jì)化設(shè)計(jì)，主要針對(duì)高層的房屋建筑，高層建筑的水平荷載結(jié)構(gòu)造價(jià)占所有結(jié)構(gòu)的絕大部分造價(jià)，在抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，抗側(cè)力結(jié)構(gòu)是造價(jià)控制的重點(diǎn)內(nèi)容。尤其是在建筑物層高增加之后，抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的造價(jià)也會(huì)隨之增加?？箓?cè)力的結(jié)構(gòu)必須進(jìn)行合理選用，以便形成造價(jià)優(yōu)勢。

設(shè)計(jì)人員對(duì)房屋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要充分了解各種結(jié)構(gòu)模式的抗震性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，把握好房屋的體型、結(jié)構(gòu)的體系以及剛度的分布等，針對(duì)抗震的薄弱環(huán)節(jié)通過抗震構(gòu)造措施進(jìn)行改善，將抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的成本降到最低。

5 房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用注意事項(xiàng)分析

房屋建筑機(jī)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用，需注意到前期的參與房屋建筑前期的設(shè)計(jì)方案直接影響建筑項(xiàng)目的成本，但是很多前期方案確定中卻不包括結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，以致相關(guān)的設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，常常忽略建筑結(jié)構(gòu)的和理性和可行性，這樣不但增加了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度，而且使房屋建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)成本也相應(yīng)增加、設(shè)計(jì)人員在前期設(shè)計(jì)時(shí)要充分的融入優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，節(jié)約建筑成本。

6 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

6.1 直覺優(yōu)化技術(shù)

直覺優(yōu)化技術(shù)與建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于同一建筑方案，可以有許多不同的結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì);確定了結(jié)構(gòu)布置的建筑物，即使在同種荷載情況下也存在不同的分析方法;分析過程中設(shè)計(jì)參數(shù)、材料、荷載的取值也不是唯一的:建筑物細(xì)部的處理更是不盡相同，這些問題是計(jì)算機(jī)無法完全解決的，都需要設(shè)計(jì)人員自己作出判斷。

6.2 概念設(shè)計(jì)處理

概念設(shè)計(jì)處理的實(shí)際建筑設(shè)計(jì)問題概念設(shè)計(jì)所要處理的問題多種多樣。但可以肯定的是希望通過概念設(shè)計(jì)，建筑結(jié)構(gòu)能在各種不期而遇的外部作用下不受破壞，或?qū)⑵茐某潭冉抵磷畹汀?/p>

建筑設(shè)計(jì)從計(jì)算及構(gòu)造等各個(gè)方面都要采取一些有助于提高抗震能力的措施，不利于抗震的作法則應(yīng)盡量避免。剛度均勻、對(duì)稱是減小地震在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生不利影響的重要手段;延性設(shè)計(jì)則能有效地防止結(jié)構(gòu)在地震作用下發(fā)生脆性破壞;多道設(shè)防思想能使建筑在特大地震作用下次要的構(gòu)件先破壞，消耗一部分地震能量。

7 結(jié)語

總而言之，利用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的技術(shù)方法可以滿足建筑產(chǎn)品的品質(zhì)要求不斷提高的目的，實(shí)現(xiàn)了人們對(duì)于居住條件及生活環(huán)境的要求不斷提高的需求，這也實(shí)現(xiàn)了建筑商不斷尋求新的手段來滿足顧客的需求，達(dá)到降低建筑工程造價(jià)成本的目標(biāo)，進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合現(xiàn)今建筑商對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的效益的需求，也符合市場可持續(xù)發(fā)展的需求。

［1］周磊.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.城市建設(shè)理論研究［J］.2012(06).

［2］康強(qiáng)林.談建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法與房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.建筑工程技術(shù).2013(07).