探討房屋建筑結構設計的經濟性及優化技術的應用

高峰

（北京中外建建筑設計有限公司深圳分公司，廣東深圳518000）

1 優化設計的原因

房屋建筑主體中，50%的成本通常花費在混凝土、鋼筋、砌體等建筑材料中，并且該部分費用也是組成工程造價的主要內容。實踐表明[1]，通過對結構的優化大約可有效降低總成本的10%～35%，對于大型建設工程，該部分費用風險較低，且資金數額通常較大，因此，開展結構優化設計不僅可以提高企業的資金周轉率和利潤，而且可以降低建設方的投資成本，具有巨大的經濟價值。

據不完全統計，影響工程質量的主要因素為結構設計問題，約占總事故原因的40%。目前，各設計單位技術水平存在一定的差異，因設計質量造成工程項目返工、停工等現象十分常見。通過科學、合理的優化設計，可有利于業主提升設計質量，并且在降低工程風險，避免質量缺陷等方面發揮著重要的作用，可以在降低非必要投資的條件下提高工程項目品質，符合創建節約型社會主題。

結構的優化設計通常并非業主要求的核心內容，因此，設計單位往往存在成本控制意識薄弱、控制積極性不高等問題，并且設計師在技術水平不足、任務重、時間緊的條件下，并不能很好地幫助業主控制成本。在此背景下，結構的優化設計非常重要，其不僅是保證建筑安全、耐久性以及功能性的基本條件，而且在最大化追求經濟型、節約建筑占地面積方面發揮著不可替代的作用，已成為結構設計領域研究的主要目標。

2 優化設計的原則

2.1 安全性

城市的發展和科技的進步推動了房屋建筑技術的不斷提升，并對結構設計提出了更多的要求。結構優化設計不僅可以降低工程投入，節約建設成本，更重要的是可以保證結構的安全性能。如果僅以節約資金投入作為結構優化的判別依據，而不考慮結構的安全性，那么結構的優化將無任何價值和作用，并且不能保證結構安全的優化設計也是行不通的，因此，安全性是設計人員結構優化的根本原則和基礎條件。

2.2 功能性

房屋建筑的功能性可通過優化設計體現，在優化過程中，不能以除去建筑物內部承壓梁的形式提升空間范圍，房屋建筑的功能和居住環境的舒適度是優化設計的重要原則，尤其是在目前的經濟條件下，對房屋設計進行選擇時，消費者有更加具體的功能性要求，只有在滿足房屋功能性要求的條件下，建筑結構才能發揮它的實際價值和作用。

2.3 經濟性

對建筑材料的優化使用是房屋設計經濟性原則的主要方法，建筑施工是一個涉及多個領域的綜合性大型工程，并且隨著經濟水平的快速發展，各個方面，如鋼筋、混凝土、水泥、砌體等都需要投入大量的資金，進行工程建設時，各個分支的資金使用十分有限，這就要求在保證安全性的條件下，遵循經濟性原則，通過節能材料的合理選擇嚴格控制建筑成本，合理安排施工流程，減少不必要的成本投入。但是，并不能為了滿足經濟性原則而出現“豆腐渣”工程，保證居民的生命財產安全是經濟性優化設計和施工的基礎。

3 房屋建筑結構設計中優化技術的應用

3.1 房屋建筑結構的前期優化技術

為更加科學、合理地開展結構優化，設計人員在房屋結構設計前期，通常需要對多種設計方案進行商討，并且不同的方案通常會形成各自的建筑形式。在實際應用時，應充分考慮房屋的建設需求，從而確定合理的設計方案，同時全面地分析準備工作也是方案設計前必不可少的內容，主要有施工設備的負荷值、設計參數以及建筑材料的確定等。在方案設計前，因存在較多的準備項目，通常會形成大量的數據資料，為保證設計方案的科學性和合理性，往往需要對這些數據資料進行分析演算。然而，采用常規的人力計算因速度慢、精度低等缺陷而存在一定的局限性，難以獲得準確的結果。在實際的數據分析過程中，通常需要經驗豐富的工作人員綜合利用計算機完成數據資料的演算和分析。

3.2 加強數字技術應用

隨著數字技術尤其是計算機的快速發展，傳統的計算分析和圖紙逐漸被數字化技術取代，在結構設計參數影響分析和快速設計結構方案時，數字化技術表現出了良好的適用性與可靠性。例如，可利用GAMES軟件構建模型，該軟件具有操作簡單、處理快捷等優點，并在混合整數、線性及非線性優化方面有廣泛的應用價值。另外，可利用TBCAD等軟件進行科學、有效的建模分析和方案的優化，從而更加直觀、準確地展現建筑結構形式。數字化計算機軟件為處理結構優化設計的必備工具，在處理解決各種復雜情況時表現出了較強的使用功能。

3.3 重視概念設計優化技術

對建筑材料利用一系列的設計方法實現各個構件的相互配合與充分利用，最終實現結構的優化設計即為房屋優化設計的概念。建筑物通常存在多樣化的結構布置形式，并且對同一建筑結構也可存在多種結構分析方法，對建筑材料和設計參數的選擇可隨著分析方法的改變而存在一定的差異。在分析處理各種優化問題時，僅依靠數字化軟件仍然無法滿足優化設計的要求，因此，設計人員的概念設計更加重要。不同的設計人員的設計經驗、方式、技術水平、綜合素質存在一定的差異，因此，對概念設計的理論也不盡相同。因此，加強對建筑人員素質的培養和經驗積累是做好優化設計的關鍵內容，高素質的設計人員可根據其自身豐富的經驗實現結構的優化設計。

3.4 加強房屋建筑防震安全結構設計

一般條件下，具備良好延性的分支體系通常是構成房屋抗震結構系統的主要內容，房屋結構的各個構件通過延性較好的構件進行連接可提高其抗震性能，如通過剪力墻與延性框架兩分體的連接可構成建筑的框剪結構；另外，在結構體系中，采取對稱、剛度均勻的布置形式是降低地震災害的有效方法。通過結構的延展性設計可有效降低因地震災害造成的房屋建筑脆性破壞。

在特大地震作用中，通常會伴隨多次小、余震災害的出現，據此可通過在房屋結構中設置一道防震線降低災害損失，對于次要構件，可設計在地震先破壞的位置，并以此消耗地震能量達到保護重要構件的目的。進行房屋結構設計時，應盡可能地提高防震冗余度要求，并且建立結構體系屈服分布狀態，最大程度地降低或消耗地震災害的作用力。綜上所述，進行房屋建筑優化設計時，可綜合利用各項防震技術措施顯著提升其抗震水平。

4 總結

在房屋結構設計中，應用優化技術不僅可有效提高建筑物耐久性、安全性以及功能性等特征，而且可以在滿足人們對多樣化居住需求的條件下，提升房屋的經濟性與美觀性，并降低房屋建筑的建設成本。因此，設計人員在進行結構優化時，應結合自身經驗充分利用優化技術確定科學、合理的方案，盡可能地降低資金投入，提高項目經濟性能。在實際工程應用中，雖然結構優化設計還存在各種各樣的困難，但是經驗越豐富的設計人員應利用現有技術方法和經驗推動結構優化設計的進一步發展。