有關建筑結構設計的優化設計分析

李戰平

（重慶市設計院 重慶 渝中 400015）

有關建筑結構設計的優化設計分析

李戰平

（重慶市設計院 重慶 渝中 400015）

隨著科學技術不斷進步，社會經濟快速增長，人們生活水平逐漸提高，建筑工程業也得到了快速的發展。建筑作為人們賴以生存的載體，建筑物的質量和結構設計與人們生活的舒適度息息相關。建筑結構優化設計不僅可以控制建筑投資成本，還可以實現使用者的設計要求。所以，建筑結構優化設計在當前的市場經濟發展下具有一定的可行性，為改善人們的生活環境提供重要基礎。

建筑；結構設計；優化設計；分析

引言

目前，在對建筑結構進行設計的過程中，往往是在建筑施工、設計的基礎上，對建筑結構進行相應的完善，并沒有形成單獨的設計體系。建筑結構優化設計作為實現建筑本體功能的關鍵手段，而且建筑結構優化設計直接關系到整個建筑在消防、抗風以及防震等方面的設計是否合理，是否能夠保障整個高層建筑結構的施工質量和安全性。

1　建筑結構優化設計的內涵及基本要求

1.1建筑結構優化設計的內涵

在現代的建筑施工中建筑結構優化設計主要體現在建筑工程的決策階段、設計階段和建設階段。①在決策階段要明確進行結構優化設計的目的，并在實現本體結構功能的基礎上進一步保障建筑結構的安全性，降低建筑施工資本投入。②在設計階段，要明確和完善建筑整體結構以及每個子系統的優化布局設計。③在建設階段，將建筑結構優化設計作為建設施工的主要指導原則，組織并建設建筑結構的每個環節，進而實現建筑結構設計的整體優化。這三個階段互為補充、缺一不可，在建筑結構優化設計中起著重要的作用（具體優化流程如圖1）。

圖1　建筑結構優化設計流程圖

1.2建筑結構優化設計的基本要求

（1）功能性。建筑物作為人類賴以生存的基礎物質環境，建筑結構設計的好壞直接關系著人們對建筑環境的感受。隨著時代的發展和人們生活質量的提升，人們對建筑結構的功能性需求也不僅限于傳統的實際應用功能，而是包含了建筑結構美觀、舒適以及建筑物的協調性等多方面的因素，進而滿足人們對建筑物質環境的要求。

（2）安全性。建筑物是人們進行生活以及生產活動的主要場所，因此建筑物的安全性是建筑結構優化設計的關鍵因素之一。如果一味追求建筑結構的優化設計，而忽略了建筑結構設計施工等各方面的安全性，對建筑結構的優化有害無益，給人們的正常生活、生產活動造成巨大的潛在危害。

（3）經濟性。隨著我國改革開放引來，市場經濟快速的增長，由于市場經濟對資源配置的要求和引導，使經濟性成為建筑結構設計必須要考慮的重要因素。經濟性主要是指通過建筑結構優化設計，對建筑材料、工具等進行科學合理的資源配置，減少建設成本的浪費，進而控制建設過程投入。

（4）環保性。環保性是繼經濟性之后對建筑結構設計的有益要求，一般是指通過建筑結構優化設計選擇較為環保的建筑材料、建筑布局等，從而體現可持續發展的環保建筑發展觀念。①在建筑材料的選擇上，以建筑工程的功能性和安全性為基礎，選擇合適的節能環保型材料；②在建筑結構優化設計的整體布局中，要重視建筑物在將來的使用中對周圍環境造成的影響，一方面強調建筑物各子系統結構的統一與環保性，另一方面要有效地處治建設過程中的廢舊材料及建筑垃圾，減少對環境的污染。

2　建筑結構設計存在的問題

2.1抗震結構設計問題

抗震結構一方面是高層建筑結構設計中最重要的環節，另一方面也是高層建筑結構設計中較復雜的一個環節，它需要綜合考慮到建筑結構、建筑材料選擇以及墻體承重等抗震規范設計要求。但是由于我國不是地震高發地段，所以設計師在設計建筑時，往往忽略這一點，對建筑的抗震結構設計并不是很嚴謹，而且我國在對抗震設防標準也比較低，這種在政策上的忽略抗震結構導致設計師在計算建筑抗抗震數據時缺乏對數據的敏感性，進而建筑抗震結構設計缺乏靈活性和安全性。

2.2樓層平面剛度問題

在建筑結構設計中，樓層平面剛度問題是最常見的問題，在設計基本的機構觀念或者是結構布置上缺乏必要的措施，雖然對對程序采用了樓板變形的計算公式，但是編程在數學力學模型上的成立不代表在實際設計上能夠準確無誤，這是由于不可抗力等因素的偏差導致計算的誤差性，從而導致建筑的不安因素增多，所以，設計師需通過計算機中對結構真實受力狀況進行分析，從而確保不會出現根本性的誤差，因此設計師需對結構概念要求很強，同時也要對樓層平面剛度的標準進行限制。

2.3剪力墻裂縫問題

剪力墻結構一般多見于沿街的旅館、住宅、辦公樓等空間房屋，由于這類建筑是解決底層需要一種比較經濟的空間房屋的結構形式，然而部分設計師在設計剪力墻結構時往往為了追求單一的建筑立面造型來增加使用面積，將二樓以上樓層部分的橫墻移至懸挑梁上，使得實際結構的底層挑梁承載普遍出現裂縫。同時在施工過程中，許多施工隊伍為了趕工作進度，工程的質量很難受到保障，而且在使用混凝土進行泵送時，增加水泥用量，減少中粗骨的含量，水泥的用量和中粗骨與骨料的配比都會影響結構的收縮量，又加上由于混凝土強度的提高，使彈性模量增加將引起更大的約束拉應力產生，使得混凝土用量大的剪力墻產生裂縫的因素在增大（具體如圖2所示）。

圖2　某工程剪力墻結構優化設計前后對比圖

3　優化建筑結構設計的策略

3.1選擇合理的結構方案

建筑結構的設計方案是進行建筑結構施工的第一步工序，一個好的設計決定了結構設計的質量。往往對于同一個建筑設計方案，結構設計方案并不是唯一的，不同的結構方案會使得工程造價和工程質量產生很大的不同，所以選擇一個合理的結構方案尤為重要。在對結構方案的選擇上一定要嚴格的按照基本原則來選擇，通過對建筑整體概念的了解對建筑空間中的結構總體方案來進行思考，并且結構方案中要體現出構件與結構、結構與結構之間的關系，需要確保整體結構和構件處于最佳受力狀態，保證結構的承載力最大化。同時，結構方案中需要對平面和立面進行合理的布置，保證結構的剛度、結構中心和幾何設計到一點上，減小位移比，避免在外力作用下結構的扭轉效益，也可以降低建筑造價成本，提高建筑物經濟效益。另外，為了保證建筑結構優化設計方案的可行性，設計師需要與建筑人員、施工人員進行有效的溝通和合作，共同制定建筑建構優化方案，保障建筑結構方案的優化性和安全性。

3.2抗震結構的優化

對建筑抗震結構進行設計的過程中，需要通過專業的抗震結構設計人員針對建筑特點以及地方的地震發生狀況進行分析，以滿足建筑物抗震結構設計規范為基礎對建筑物的抗震結構進行嚴格設計。所以，在進行建筑物抗震結構優化設計的時候：①需要對結構優化設計中的材料合理嚴謹的選用，眾所周知，鋼筋混凝土材料的結構設計中，梁柱是主要的受力載體，在工程建設中，采用高標號的鋼筋混凝土可以減少梁柱等構件的橫截面，減輕結構本體的重量，促進建筑結構的抗震能力的提升，比如在對剪力墻的抗震結構設計過程中，應該充分考慮到剪力墻的抗震要求，設置單獨的承重墻和承重柱，合理的匹配鋼筋混凝土與混凝土的投放比例，最大限度的發揮鋼筋混凝土的材料特性，保證剪力墻的抗震能力。同時還需要結合建筑材料的品種、質量、價格以及對周圍環境的適應程度來保證建筑結構的抗震能力、安全性最大化；②在處理一道截面較長的抗震墻方面，設計師應該充分利用其洞口設置成弱連梁，使每個墻段的高寬比不宜小于2，盡量將墻體分成單肢墻、多肢墻或者是小開口墻，從而提高抗震墻的變形能力，保證建筑的安全可靠；③要加強我國建筑構造規定的安全度以及抗震計算方法，通過對梁柱承載力匹配程度、軸壓比以及配筋率等抗震延性方面進行嚴格規定，從制度上進行改變和規制。

3.3靈活運用建筑結構設計規范

在設計建筑結構時，所有的設計的最低標準都不能低于建筑結構設計規范，因為規范的制定已經是國家根據眾多技術經濟、科技水平和工程實踐經驗的總結，所以設計人員需要全面理解規范條文，正確靈活的運用建筑結構設計規范。例如：在規范中對剪力墻設計的要求是剪力墻需要上下貫通，剪力墻的布置位置最好是在結構的外圍，因為這樣可以增強結構的抗扭作用，從而讓建筑結構的剛度有連貫性且變化情況穩定，但是作為一個優秀的工程結構設計師，應該靈活運用這個要求，不僅要考慮規范的要求，還需要考慮溫度對樓層的影響，從而控制剪力墻的間距，防止剪力墻裂縫增大而增加建筑結構的不安因素。又例如規范中規定可以通過增加暗柱、端柱等邊緣構件來減少結構的剛度，但是如果在實踐過程中，樓層的面積和剪力墻的總面積之間比值較大，而且房屋的高度較低、樓座的面積夠大時，墻底部的暗柱面積以及配筋量可以不用按照規范中要求的設置這么多，這些都是需要設計師對建筑結構設計規范的理解和靈活運用。

4　結束語

綜上所述，房屋的安全性和耐久性也是現在比較的關注，在建筑材料的選擇上，結構的設計種類上，都應該考慮到抗地震、抗強風以及在使用過程中的房屋損耗所帶來的維修的可能性，這都表明結構優化設計的重要性，而且結構優化設計是降低工程造價的有效途徑。通過對現代建筑結構設計的優化，不僅可以有效的降低建筑工程的成本，還能滿足社會民眾對建筑的基本要求。

[1]吳松松.有關建筑結構設計的優化設計的分析[J].建筑工程技術與設計，2015（4）：23～24.

[2]李濤.有關建筑結構設計的優化設計的分析[J].城市建筑，2014（21）：59.

[3]余金鳳.有關建筑結構設計的優化設計的分析[J].科技創新導報，2013（2）：61.

[4]杜廣，陳彬.有關建筑結構設計的優化措施探討[J].建材與裝飾，2012（9）：111～112.

TU318

A

1673-0038（2015）36-0015-02

2015-8-18

李戰平（1980-），男，工程師，碩士，主要從事結構設計工作。