現代建筑結構優化設計研究

【摘要】隨著我國經濟形式的不斷升級，粗放向經濟向集約型經濟的轉變已勢在必行。開發商對于建筑業成本的控制、技術革新要求更高。為了保證建筑結構的安全合理，同時又要使建筑工程經濟效益最大化，作為建筑結構設計師往往起到了至關重要的作用。如何使得擬建的建筑工程既經濟又安全合理，就需要設計者認真考量了。本文作者根據長期工程設計設計經驗，就現代建筑結構優化設計中的諸多問題予以分析研究，冀為廣大建筑設計者提供一點理論參考。

【關鍵詞】現代建筑；結構設計；優化設計

1、優化建筑結構設計的意義所在

根據工程經驗建筑工程成本大部分來源于建筑物結構成本。現代建筑物的體量、建筑規模及建筑體型的多樣性，使得建筑結構設計本身的難度不斷加大，且在結構設計中本身不存在“唯一解”，選擇不同的結構體系可能對建筑物的安全性和經濟性帶來很大的影響。加之現代結構設計軟件功能不斷增多，禁錮了結構設計人員的主觀設計思維，許多結構設計人員在對建筑結構予以優化設計時往往沒有充分考慮實際工程的地質情況、施工難度及工程進度等諸多其它因素，致使工程造價過高，或是未能很好的因地制宜利用有利的地質條件等造成了不必要的浪費。為此，合理的進行建筑結構優化設計便顯得尤為重要。

2、優化建筑結構設計的措施與方法

2.1選擇合理的結構體系

科學合理的建筑結構體系是建筑結構優化設計的前提。結構設計之初，設計人員應根據建筑物的規模、建筑物處在何種烈度區域及建筑物的使用功能等選擇經濟合理的結構體系。

首先，根據工程經驗大致判斷出建筑物的總體參數是何種工況組合起控制。例如對于地震作用組合起控制的建筑，結構體系的布置應力求使得抗側力剛度中心與質量重心處于接近或重合狀態，從而盡可能的降低結構的扭轉效應。其次，根據建筑形狀及建筑物層高變化大致判斷出結構可能存在的薄弱方向或薄弱層。例如，擬設計的建筑物橫向面寬較大而縱向面寬小，在結構布置時應力求沿縱向多布置剪力墻，利用可以利用的建筑高度加強縱向梁高，同時盡量縮短橫向墻肢長度、減小橫向梁高。加強結構的薄弱位置同時削弱結構剛度較大的部位。

2.2選擇合理的基礎形式

選擇合理的基礎形式是建筑結構優化設計的保障。基礎成本是整個建筑結構成本中最重要的組成部分，根據地勘情況因地制宜的選擇經濟合理的基礎形式往往能收到事半功倍的效果。在確定好建筑結構的上部體系后，應結合當地的地基基礎施工經驗和具體工程的地勘情況，優先選擇天然地基基礎，如若天然地基持力層較深或是存在軟弱下臥層驗算無法滿足要求時，則需考慮采用樁基或進行地基處理。在保證建筑物安全并滿足相關規范要求的前提下，對比各種基礎形式的經濟性時應考慮施工工期、基坑降水難度、基坑支護成本等多方面的因素，結合當地的施工技術水平對可行的基礎方案進行比較，才能選擇出經濟合理的基礎形式。

2.3合理優化地下結構

地下結構是工程中含鋼量和混凝土方量最大的部分，也是工程總體造價能否很好控制的關鍵。地下結構設計應盡量減少基坑深度。基坑深度加大相應的基坑支護和基坑降水的成本也會增大，結構的抗浮壓力也會增大。例如，根據工程經驗適當抬高地下室頂板的高度、盡量減少地下室頂板覆土厚度、合理采用無梁樓蓋降低地下室層高等措施均可收到很好的經濟效果。

選擇合理的抗浮方案對于我國抗浮水位較高的南部地區地下室結構優化設計非常重要。隨著現代化城市的高速發展，多層地下室已經非常普遍。隨之而來的地下室抗浮壓力給結構設計人員提出了更高的考驗。可供選擇的抗浮方案也很多，例如抗浮錨桿、抗拔樁、增加配重、有組織排水體系等等措施已經在很多工程中有了很好的應用。具體選擇何種抗浮方案應結合當地工程經驗和地質情況及主體結構選擇的基礎形式對可行的抗浮方案進行經濟性分析，并結合工期要求等選擇經濟合理的抗浮方案。

2.4合理優化上部結構

隨著現代化都市的高速發展，城市建筑層數不斷增多。高層、超高層建筑已經比比皆是，對于標準層的優化設計不僅可以節約成本，還可降低結構自重，減少基礎造價。首先，上部結構的墻、柱應力求布置在抗側力效果明顯的部位，減少或取消抗側力效果不明顯的剪力墻。其次，充分利用邊框梁和連梁的剛度。對于高烈度區的高層建筑，結構的扭轉位移比往往讓結構設計人員費盡腦汁。通過合理的調節邊梁和連梁的剛度較單純增加剪力墻更經濟合理。再次，減少過度復雜的節點連接。在公共建筑中，尤其是鋼結構體育館等建筑中，過度復雜的節點不僅影響結構安全性，而且制作過程也費時費料，既增加了施工難度也增加了工程造價。

2.5其他部位的優化設計

在建筑結構設計中，除了可對地下、地上結構體系進行優化外還有以下幾點可以考慮。

（1）高層建筑下部樓層墻、柱構件合理選用高標號混凝土。在滿足結構整體剛度的前提下，當高層建筑結構墻、柱軸壓比不滿足要求時可優先選擇適當提高墻、柱混凝土強度等級。下部樓層墻、柱構件的配筋率及體積配箍率的要求較高。一般情況下，墻、柱構件縱筋為構造配筋，控制墻柱構件的截面尺寸既可有效的降低縱筋的配筋量又可減少箍筋的長度，同時還可以減少結構自重，減少基礎荷載。

（2）與開發單位及相關專業進行有效的溝通，在不影響建筑整體造型的前提下，盡量簡化建筑造型和建筑節點。隨著人們對建筑造型的要求越來越高，建筑造型也越發復雜，與開發單位和建筑師有效的溝通，采用簡潔輕巧的建筑造型既可以降低施工難度、縮短工期，又可以降低結構自重，達到經濟安全的效果。

結語：

隨著我國現代城市的高速發展，在結構設計過程中不斷優化創新，減少不必要的浪費是結構設計人員應盡的義務。在設計之初對整個建筑物總體上進行初步診斷，大致判斷出其可能存在的薄弱環節，在結構布置階段進行有目的的加強；在具體設計過程中，結合地質情況和當地的施工經驗選擇合理的基礎形式，對地下結構的具體方案進行比較，對地上結構通過關鍵部位調整，從而使整個結構體系趨于逐步完美的狀態。于此同時，還應與相關專業及開發單位進行有效的溝通，力求達到簡約、經濟、安全的效果。

參考文獻：

[1]沈蒲生.高層建筑結構設計[M].北京：中國建筑工業出版社，2006.

[2]周堅.高層建筑結構力學[M].北京：機械工業出版社，2006.