建筑工程結構設計優化淺析

文/王凱曉、張海東 威海思維建筑設計有限公司 山東威海 264200

1、結構設計優化的重要性

（1）降低成本：隨著社會的不斷發展，人們的生活質量和水平日益提高，對建筑環境與建筑功能提出了更高的要求，越發注重建筑的美觀性、舒適性與經濟性。隨著建筑的造型越來越新穎、功能越來越多樣化、智能化，超高、超大跨等復雜建筑結構越來越多，所帶來的影響是建筑結構設計安全性要求越高；結構體系更加復雜；施工難度不斷增大；建材、能源、人力等消耗巨大。例如：國家體育場（鳥巢）建設過程中，在保持“鳥巢”建筑風格不變的情況下，中方設計師對原設計方案的結構布局、構件截面形式、材料利用率等問題進行了較大幅度的調整與優化。原設計方案中的可開啟屋頂被取消，屋頂開口擴大，并通過對鋼結構的設計優化，大大減少了用鋼量，在保證建筑安全的前提下，以最經濟的手段實現了降低工程成本的目的。

（2）結構更安全合理：優化房屋建筑結構設計，以全面發揮建筑使用性能為主，在結構設計理念中融入藝術學、審美學等理論，對建設目標與建筑性能全面考慮，在確保建筑結構設計安全穩定的前提下，制訂完善的設計優化方案，在結構設計中采用合理的結構方案、體系、計算模型、構件，進行優化設計。

（3）縮短施工周期，利于節能環保：與以前模式中建筑結構優化設計對比，現代的優化設計方法，應合理配置各項建筑資源，提高各項資源利用效率，通過結構優化，化繁就簡，降低施工難度同時也縮短了施工周期，相對減少了建筑施工期間對環境、大氣的污染。例如目前比較普遍采用的裝配式結構形式，因此，在建筑結構領域開展優化設計，也符合節約能源、保護環境和可持續發展的國家策略。

2、結構設計存在問題

2.1 建筑結構整體穩定性

如今，大部分建筑工程以高層建筑居多。然而，高層建筑在施工過程中，往往容易受到外界因素的影響，對建筑結構穩定性較易產生干擾。因此，建筑結構設計的穩定性及抗震性能便顯得尤為重要，是設計人員必須考慮的因素之一。設計人員不僅需要考慮建筑物的寬度，還需要考慮建筑物基礎的埋置深度。例如，由于基礎的埋深不合理，一旦該地區發生地震，便會導致建筑物出現滑移的問題，甚至發生建筑物傾覆的事故，對居民財產安全及生命安全構成威脅。

2.2 結構設計安全問題

建筑結構設計安全是結構設計的重要環節，也是保證人們生命財產安全的重要防線。在結構設計中，隨意加大構件截面或增加用鋼量，并不一定會增加安全性，反而可能存在安全隱患。強柱弱梁的概念設計就是為了在地震作用下，塑性鉸不優先出現于柱端，保證框架柱不會優先破壞，如果隨意增加梁截面及鋼筋，造成梁的剛度很大，在地震作用下，塑性鉸就會優先出現于柱端，造成結構的整體破壞，甚至倒塌。因此結構設計安全必須引起重視。

3、建筑結構設計優化措施

3.1 管理制度方面

政府主管部門首先要進行優化設計工作的推行，通過行政手段保證優化工作的實施，加大設計市場的管理制度，完善相應法律、規范設計市場。引入設計監理這種方法是十分有必要的，通過設計監理的方式可以管理設計單位自己隨心所欲的局面，通過嚴格準確的控制對項目設計進行監管，使工程更加經濟和合理。完善公平競爭的設計市場，普及符合條件的項目設計招標。通過價值工程等方法對建筑設計方案進行選擇。

3.2 使用價值工程分析法

通過價值工程分析法可以降低生產成本和使用成本，它重點是可以對工程設計功能進行分析，滿足使用者的需求。多方協作后，借鑒之前的成功經驗，改善更合理的設計方案，在團隊集體的努力下，提高產品價值的可行性方案。根據工程的實際情況不只是追求提高功能性，而且是降低成本提高經濟效益的有效方法，采取最佳的結構設計方案，價值工程是一個成熟的管理辦法，而且在許多國家都到廣泛的應用。

3.3 建筑基礎設計

基礎設計作為建筑結構設計的重中之重，其合理性不僅關乎于結構安全，也關乎于工程造價。通常一個建筑的基礎造價是比較高的，典型的占20%左右，一個合理、可行的基礎方案可以節省很多建材及人力，作為結構設計人員，應該做到更合理的選用基礎形式，在保證安全的前提下，避免造成不必要的浪費。

案例分析：

山東威海某工程，兩幢高層，一幢為酒店22層（層高3.5米，主體結構屋頂標高88米），一幢為公寓27層（層高3.0米，主體結構屋頂標高為94.5米）以及裙房5層，經計算，公寓單柱軸力標準值接近30000KN，酒店單柱標準值接近22000KN，原設計采用長螺旋鉆孔灌注樁，初步設計直徑為800mm，樁長約18米左右，單樁承載力特征值僅有2150KN左右，公寓樓一根柱下需要15跟樁左右，無法布樁，由于樁分布范圍較大，筏板變形較大，配筋也較多，不經濟。考慮到樁下部提供側摩阻力的各層土以礫砂為主，而端部則為強風化巖，通過后注漿能夠有效加強這些土體以達到提高承載力的效果，故提出了使用鉆孔灌注樁加后注漿的方案，單樁承載力特征值預估值為4000KN（實際測試為5500KN）。通過優化設計，樁數由原來的2052根減少至1039根(756根)，工程總造價節省了約261.9萬元（654.9萬元），本工程采用后注漿工藝是成功的，也取得了很明顯的經濟效益，因此結構設計優化是每一個結構工程師的必修課，認真對待每一個工程，采取多方案、多形式的比較，選取最合理的方案，給甲方一個滿意的交代，對自身也是一個提高，只有這樣，才能促使我們設計人員不斷進步，不至于被淘汰。

結語：

建筑結構設計是建筑工程中重要的工作環節之一，不僅決定了項目工程整體質量，同時也決定了建筑結構外觀。故而，設計人員在設計工作中，應先確保工程項目的安全性，盡可能延長建筑物的使用壽命。在這一前提下，盡量壓縮企業的投資成本，不僅保障人們的生命安全與財產安全，同時為企業創造豐富的經濟收益。