房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用探討

張瑤+冷超群

摘 要：隨著人民的生活水平也在日益提高，人們對(duì)于住房的需求不僅僅再停留在技術(shù)表面上，而且是開始更多的關(guān)注房屋的質(zhì)量以及美觀性。需求的增大勢(shì)必刺激房地產(chǎn)商越來越關(guān)注房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)應(yīng)用的優(yōu)化。在房屋建筑設(shè)計(jì)中要盡量保證房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的美觀和經(jīng)濟(jì)性。建筑企業(yè)對(duì)房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，不僅能滿足消費(fèi)者在房屋外觀美觀以及房屋使用經(jīng)濟(jì)等方面的多樣化需求，還能在今后的房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中不斷創(chuàng)新施工技術(shù)。本文簡(jiǎn)述了房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容，說明了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)現(xiàn)實(shí)意義，闡述了房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的技術(shù)應(yīng)用優(yōu)化的必要性以及有效措施。

關(guān)鍵詞：房屋建筑結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)；技術(shù)

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，不斷提高的現(xiàn)代化生產(chǎn)和人民生活水平促使房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)水平。在新的時(shí)期，建筑施工企業(yè)首先就要從其施工質(zhì)量入手，而建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性需要根據(jù)施工地點(diǎn)的實(shí)際情況以及施工的各種要求對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，這樣才能為人們的生命安全提供必要的保障。隨著人們生活水平的不斷提高，建筑物的質(zhì)量也要隨之提高，這樣才能夠與人們的要求以及市場(chǎng)需求相適應(yīng)。在滿足各種規(guī)范和某些特定要求的條件下，功能強(qiáng)、造價(jià)低、安全可靠成了房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師追求的目標(biāo)，該目標(biāo)的實(shí)質(zhì)就是深入研究房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，不斷優(yōu)化建筑質(zhì)量結(jié)構(gòu)。

1 房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)容

1.1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選型

房屋工程分基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)、屋蓋系統(tǒng)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)細(xì)部設(shè)計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在實(shí)施過程中，還應(yīng)該結(jié)合具體工程的實(shí)際情況，圍繞綜合經(jīng)濟(jì)效益的目標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在滿足平面布置規(guī)則下縮小剛度和質(zhì)量中心的差異，控制了建筑物的水平荷載。豎直方向上應(yīng)減少應(yīng)力集中現(xiàn)象。

1.2 優(yōu)化輸入荷載

風(fēng)荷載受地形、地貌、周圍建筑環(huán)境等因素影響，與房屋建筑結(jié)構(gòu)的幾何外形相關(guān)，對(duì)具有顯著非線性特征的結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生流固耦合效應(yīng)。風(fēng)荷載需要考慮靜力和動(dòng)力的雙重特點(diǎn)。

2 房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)際意義

2.1 有助于降低總造價(jià)

在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，合理應(yīng)用建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，不僅 能夠提高建筑物的使用價(jià)值，還有利于環(huán)保，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展，有助于實(shí)現(xiàn)建筑物的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，高層住宅的層數(shù)越多總建筑面積增大，占用土地面積就越小，從而節(jié)約了用地成本。但建筑層數(shù)的增多，建筑物間距也要加大，這時(shí)占用的土地節(jié)約量與建筑層數(shù)增加就無法用比例計(jì)算了。另如屋蓋并不會(huì)因?yàn)閷訑?shù)的增加而有所改變。對(duì)于基礎(chǔ)部分來說，雖然是層數(shù)增加但是傳給基礎(chǔ)的荷載將會(huì)增大，單位面積的造價(jià)有所降低但卻沒有屋蓋的效果那樣明顯。選擇好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案可以最大限度降低建設(shè)成本，保護(hù)施工現(xiàn)場(chǎng)的生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)利益 完美融合。開發(fā)建筑物的原則就是以最少的建設(shè)使用年限較長的建筑物，建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)正好滿足了建設(shè)單位這一需求。優(yōu)化設(shè)計(jì)方案除了能在保證建筑物耐用的基礎(chǔ)上，還滿足更多人不同的要求。

2.2 提高建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性

建筑層高增加，其墻體面積和柱體積增加，結(jié)構(gòu)的承載力相應(yīng)增加。與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相比，采用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化可以使得建筑工程造價(jià)降低5%-30%。技術(shù)性的合理利用材料性能能使結(jié)構(gòu)內(nèi)部各單元得到最好的協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)造價(jià)方面有較大的節(jié)省，通過使用優(yōu)化設(shè)計(jì)手段可符合市場(chǎng)可持續(xù)發(fā)展的需求。在建筑施工中，混凝土是建筑施工中作為主要的建筑材料，選擇這種材料的時(shí)候應(yīng)該盡量選擇等級(jí)較高的混凝土產(chǎn)品，一般來說，混凝土強(qiáng)度每提高一級(jí)單價(jià)就會(huì)提高4%一6%；采用高強(qiáng)度混凝土可以從建筑部件的橫截面入手，最大限度的提高房屋的實(shí)際使用面積，例如：梁構(gòu)件可通過減小混凝土強(qiáng)度等級(jí)，且有利于提高梁的抗裂性能。其次可以通過采用高強(qiáng)度的鋼筋減小了截面的有效高度，在不影響使用下合理增大梁截面寬度。

3 房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用

3.1 設(shè)計(jì)方案的技術(shù)優(yōu)化

房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化在動(dòng)工之后在開始是不現(xiàn)實(shí)，所以對(duì)房屋建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化 設(shè)計(jì)必須始終貫穿在房屋建筑的始末。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)屬于一個(gè)非線性的優(yōu)化問題，設(shè)定中常用的方法有拉氏乘子法、符合型法、Powell等。完成計(jì)算方案后只需編制相應(yīng)適用的運(yùn)算程序即可。在結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)前期形成一個(gè)參考的框架，對(duì)房屋建筑主體結(jié)構(gòu)以及各個(gè)子結(jié)構(gòu)的具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要進(jìn)行優(yōu)化。

3.2 構(gòu)建優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的模型

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化是運(yùn)用科學(xué)合理的方法得出最優(yōu)解。結(jié)構(gòu)總體的優(yōu)化建立模型的設(shè)計(jì)，首先是設(shè)計(jì)變量的合理選擇，通常的設(shè)計(jì)變量將所涉及的對(duì)變化影響不大的參數(shù)定為預(yù)定參數(shù)，通過這種方法可減少很多計(jì)算編程的工作量。其次是目標(biāo)函數(shù)的確定。使用函數(shù)可以保證各約束條件符合規(guī)范要求。

3.3 建筑地基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

地基是整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)里的主要部分，房屋的承載力以及水文地質(zhì)條件以及抗震性等都要去進(jìn)行綜合的協(xié)調(diào)還有處理。因此，對(duì)于 房屋的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來講，首先要考慮的就是剛性非常強(qiáng)的基礎(chǔ)類型；在建筑的基礎(chǔ)寬度處于3米之上的時(shí)候就要運(yùn)用一些柔性比較強(qiáng)的基礎(chǔ)類型。。

4 框架設(shè)計(jì)的分部?jī)?yōu)化技術(shù)

4.1 分布優(yōu)化的設(shè)計(jì)

首先是通過整體內(nèi)力分析得到各梁和各柱的彎矩、剪力和軸力，其次是在求得內(nèi)力分布狀態(tài)下進(jìn)行各梁、各柱優(yōu)化截面和配筋選擇下得到新的設(shè)計(jì)方案，這樣使得連續(xù)兩次得到的方案足夠的接近。分部?jī)?yōu)化可能出現(xiàn)在兩個(gè)或幾個(gè)近似的即使收斂。結(jié)果方案是根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)選用其中的某個(gè)近似最優(yōu)方案。最后對(duì)得到的結(jié)果方案再進(jìn)行一次整體內(nèi)力分析，檢驗(yàn)方案的可用性。

4.2 框架梁的最優(yōu)截面尺寸

框架梁的內(nèi)力是由框架結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力分析確定的，在考慮荷載效應(yīng)組合和活荷載的最不利布置下畫出彎矩包絡(luò)圖，以便使工程技術(shù)人員根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)在25-35%的幅位范圍內(nèi)隨意設(shè)置梁端彎矩，從而大大地加速迭代收斂。

4.3 彎矩最優(yōu)剛度分配

最優(yōu)剛度與跨內(nèi)最大剪力和最大撓度系數(shù)有關(guān)，可通過每一梁段的固端彎矩求出相應(yīng)的數(shù)值。將判定后的最優(yōu)剛度作為初始值。按此剛度求得新的最大彎矩、最大剪力和最大撓度系數(shù)，再計(jì)算出支座彎矩，據(jù)此可形成所謂的彎矩最優(yōu)剛度分配法。其具體應(yīng)用步驟為：一是計(jì)算每跨梁在荷載作用下的包括端點(diǎn)在內(nèi)的跨內(nèi)最大彎矩 、最大剪力 ，及最大撓度系數(shù)。二是分配各結(jié)點(diǎn)之不平衡彎矩，從左到右逐個(gè)傳遞分配彎矩，將左結(jié)點(diǎn)傳來的彎矩與該結(jié)點(diǎn)分配的彎矩按照順序傳遞，同時(shí)仍需對(duì)原來的不平衡彎矩進(jìn)行分配，直到最優(yōu)剛度趨于穩(wěn)定止。

總的來說，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化不僅能夠提高建筑的整體性能，而且能夠在滿足建筑使用功能的前提下提高經(jīng)濟(jì)效益。盡管結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用上困難很多，但是作為一個(gè)房建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作者，應(yīng)該勇于進(jìn)行工程實(shí)踐，為推動(dòng)房建結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的學(xué)科發(fā)展做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

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