房屋建筑結構設計中的優(yōu)化技術應用分析

袁江

（陜西省建筑設計研究院有限責任公司 710018）

結構設計是房屋建筑設計中的重要組成成分，直接影響著房屋建筑質量與房屋結構的安全性及穩(wěn)定性。隨著建筑行業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展，人們對于建筑工程的結構設計要求也具有了全新的標準，為了滿足人們對建筑結構設計的更高要求，相應的設計人員需要不斷的優(yōu)化結構設計方案，找出其中的不足并加以改進。優(yōu)化技術在房屋建筑結構設計中的運用，有效的彌補了以往建筑結構設計中的諸多問題，提高了結構設計質量，有助于建筑行業(yè)的長遠發(fā)展。因此相關的設計人員需要科學合理的運用優(yōu)化技術，發(fā)揮優(yōu)化技術在房屋建筑結構設計中運用的預期價值。

1 房屋建筑結構優(yōu)化技術及存在的問題

1.1 房屋建筑結構優(yōu)化技術

1.1.1 傳統(tǒng)結構設計

通常所說的結構設計的方法是根據(jù)不同設計的要求需要，給出初步設計方案，然后利用力學知識進行分析，使其剛度、穩(wěn)定性、承載力、尺寸等滿足規(guī)范等強制進行或者構造要求。所有的結構設計方案都可以用一些設計變量和一些給定的參數(shù)來表現(xiàn)，這些都隨著設計方案的變動而變動。傳統(tǒng)的結構設計就是設計人員憑借自己的設計經(jīng)驗或者參考已經(jīng)完工的類似的設計第案列確定基本的設計方案，進而進行剛度、穩(wěn)定性、承載力等方面的計算、演算或者校核，一般只要可行符合規(guī)范便采納之。其實這個只是可行設計，也就是傳統(tǒng)的設計。可行的東西是建立在安全的基礎上的，但是不是“最優(yōu)的”，最優(yōu)的方案是在若干個傳統(tǒng)的設計中進行量的優(yōu)劣取舍，從中選擇或者合并一個最好的方案最為優(yōu)化設計的結果。可以說傳統(tǒng)設計是為優(yōu)化設計做準備的，傳統(tǒng)設計是基礎，沒有前者就談不上后者的進行。

1.1.2 結構優(yōu)化設計

在房屋建筑結構設計的過程中，工程結構的優(yōu)化設計即在滿足各種設計規(guī)范或者一些特殊需要，通過各種方案的反復推敲對比使結構設計最終達到最佳的設計方法。通常情況工程結構設計對提高工程結構的經(jīng)濟效益和功能方面具有重大的實際意義。結構設計中可以通過方案優(yōu)化或者精細化優(yōu)化刪除不安全的無效的成本，優(yōu)化后結構安全系數(shù)不會降低，有時候反而更加合理，或者使整體結構更加結實。結構優(yōu)化設計要求用優(yōu)化方法去搜索所有的設計方案，從里面得出最好最優(yōu)的方案后進行后續(xù)施工圖設計。同時結構設計是一種技術行為，對專業(yè)知識要求很強，找出既經(jīng)濟又合理的方案。這些可選的方案都要求滿足規(guī)范規(guī)定的最低限，這樣就能做到避免浪費，既減小了財力、人力，控制成本，這是當今社會的發(fā)展所趨，也是建設現(xiàn)代化節(jié)約型社會、科學發(fā)展觀所要求做到的。

1.2 存在的問題

1.2.1 基礎設計問題

房屋基礎結構設計關系著整體建筑的穩(wěn)定性以及使用壽命，部分設計人員在房屋基礎結構設計中缺乏重視度，沒有對施工現(xiàn)場的地質環(huán)境進行實地勘察，僅僅憑借相關部門提供的數(shù)據(jù)資料以及自身設計經(jīng)驗進行房屋基礎結構設計，導致設計方案與實際施工建設情況不符，基礎結構實際存在盲目性，從而降低了基礎結構設計質量。

1.2.2 框架設計問題

框架設計分為橫向結構設計與縱向結構設計，但是設計人員在框架結構設計中往往重視橫向框架結構設計，而忽視了縱向框架結構設計的重要性，導致框架結構承載力不足。框架結構中的橫向與縱向是框架水平與垂直承載力的主要來源，若是一方設計出現(xiàn)缺陷，就會導致整體框架結構承載力不足，在遇到如地震等突發(fā)自然災害情況時，將會無法承受巨大的壓力，造成框架整體穩(wěn)定性失衡，從而危害人們的生命財產安全。

2 房屋建筑結構優(yōu)化的主要應用

2.1 房屋建設過程中的主要分類

房屋按照其結構形式不同可分為：砌體結構房屋、框架結構房屋、剪力墻結構房屋等等，種類很多。考慮到造價、抗震性能以及使用要求等，針對不同的需要則采用適當?shù)慕Y構形式。一個工程，選擇合理的結構體系很重要，不光其使用安全得以保障，在其造價上也能夠得到一定比例的成本節(jié)約。房屋建筑按照層數(shù)一般可以分為三類：低層、多層、高層。3層以下為低層，4～7層為多層，8層以上為高層。這只是一般籠統(tǒng)的劃分，我們知道，房屋的使用功能不同，綜上所述，結構優(yōu)化設計勢在必行，在發(fā)展國民經(jīng)濟的今天又重大意義。

2.2 不同建筑形式對結構優(yōu)化需求不同

2.2.1 縱墻和橫墻的布置設計要求

砌體結構中主要受力構件就是砌體墻，結構體系布置得合理性直接關系到結構的抗震要求。砌體結構有縱墻承重體系、橫墻承重體系和縱橫墻共同承重體系。抗震規(guī)范中明確要求優(yōu)先采用橫墻承重體系或者縱橫墻共同承重體系。不應釆用砌體墻和混凝土混合和承重的結構體系。縱橫墻的布置宜均勻，沿平面宜對齊，沿豎向應上下連續(xù)；同時縱橫墻的數(shù)量不宜相差過大。

2.2.2 配筋砌體結構設計要求

多層砌體房屋中，有時候會出現(xiàn)墻體受壓不滿足的情況，這時在墻體里面配上鋼筋網(wǎng)片或者鋼筋來增強抗壓抗震。同時，墻中柱和局部配筋帶也提高了抗剪承載力，不僅對整個墻體有一定的約束作用，也對抗震有很大的作用，提高了砌體的豎向和水平承載力。材料的合理先用：提倡輕質高強墻體材料的使用；合理的提高砌筑砂裝的等級有效地提高了墻體抗震能力，這個措施即經(jīng)濟又有效；當使用現(xiàn)饒板并合理設計板厚、配筋：通過抗震計算來滿足抗震設計是抗震設防區(qū)工程設計必不可少的一步。

2.2.3 框架結構的設計要求

工程設計依據(jù)抗震等級、人防等級，地基的狀況和地基的承載力，活荷載值，材料等級，施工中需要注意的事項，選用詳圖等。各層的梁板柱結構配筋圖一般是先使用結構設計軟件進行設計校核，在基礎上在人為適當修改。比如對于樓梯設計多采用板式樓梯，從施工的角度來看較方便，從設計的角度看也比較美觀。基礎方面：獨立基礎它的偏心要求不能太大，必要時可做成柱下條基。也可采用臺階形或者梯形的基礎底板，或著把挑梁兩端的挑出的長度進行調整。

2.2.4 多層框架結構房屋結構設計要求

對于一些特殊要求的多層房屋，特別是一些大開間、大跨度的建筑一般都采用框架，如：報告廳、圖書館、商場、一些學校的大教室等等。框架結構是多層和高層房屋的主要結構形式之一。其中最常用的是混凝土框架結構包括現(xiàn)澆整體式、裝配式、裝配整體式和鋼框架。裝配式、裝配整體式混凝土框架和鋼框架適合大規(guī)模工業(yè)化施工，效率較高，工程質量較好。

3 房屋建筑結構設計中優(yōu)化技術應用的注意要點

3.1 結構優(yōu)化的整體要求

3.1.1 要改變設計人員的觀念

很多人怕結構設計出安全隱患，一般都進行了保守又保守的設計，這樣無形中增大了成本，是沒有必要的。一般軟件已經(jīng)有一定的安全儲備，人為的再放大設計系數(shù)就不必要。

3.1.2 注意前期技術優(yōu)化的應用

優(yōu)化技術在房屋建筑結構設計中的運用，需要做好前期的技術應用準備工作。結構設計方案是后期施工建設的主要依據(jù)，相關設計人員需要在前期結構設計方案中對其中可能涉及到的因素進行全方面考量，減少后期一些不合理費用的支出也能使整個工程的開展按計劃進行。

3.2 機構優(yōu)化的具體措施

3.2.1 結構設計模型的優(yōu)化

結構設計模型優(yōu)化的具體步驟如下：合理的選擇設計變量；確定目標函數(shù)；確定約束條件。

3.2.2 結構設計優(yōu)化方案

在進行建筑結構優(yōu)化設計時，可以用無約束條件來替代有約束條件進行計算，具體的方法有拉氏乘子法、符合型法等方法。比如在設定完結構設計時，要編制相應的運算程序即可獲得結構設計的最優(yōu)方案。采用裝配式的梁、柱時，可以縮短工期；采用現(xiàn)繞鋼筋混凝土結構時使結構的整體性、抗震性增強，而且在施工時可以澆筑成各種形狀的柱子。

3.2.3 有區(qū)分的優(yōu)化設計

針對不同房屋結構制定有針對性的優(yōu)化設計，如加強對砌體房屋構造措施的優(yōu)化（尤其是構造柱和圈梁）以及基礎承載力和埋深的修正能夠有效的控制含鋼量，從而達到降低工程造價的目的。對多層框架結構房屋的結構優(yōu)化設計是設計人員不可忽視的問題。框架結構對其梁、板、柱以及基礎數(shù)據(jù)的有效控制并結合規(guī)范的規(guī)定設計，能夠使含鋼量降低左右。而且優(yōu)化后的建筑物更有利于抗震的要求，既做到了省材又做到了安全。

3.2.4 注重設計與經(jīng)濟的兼顧

在房屋建筑工程面積相同的前提下，平面形狀、圓形或者圓形的周長也會相對較長，前提投入墻體消耗的面積也會相對較少，成本投入也會相對較低。同時，不斷的比對可以發(fā)現(xiàn)，不管是平面形狀、方形或者圓形的內部構件相對較為穩(wěn)定，并且具有相對良好的受力性，這在很大程度上降低了輔助材料和設備的使用，節(jié)省了工程的施工成本。