建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量

薛毅明

摘要：本文對(duì)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的必要性、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化應(yīng)滿足的要求、編制科學(xué)地優(yōu)化設(shè)計(jì)方案及建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行了詳細(xì)的探討。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu);優(yōu)化設(shè)計(jì);質(zhì)量

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要考慮工程成本以及建筑后期使用、維護(hù)的節(jié)能性，還要最大限度滿足使用者對(duì)建筑結(jié)構(gòu)本身的功能需求，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，提出了更迫切、更高要求。所謂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，就是指工程結(jié)構(gòu)在滿足約束條件下按預(yù)定目標(biāo)求出最優(yōu)方案的設(shè)計(jì)方法。要想做好建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，要選擇合理的結(jié)構(gòu)方案，其決定了整個(gè)設(shè)計(jì)的好壞成敗。因?yàn)閷?duì)同一個(gè)建筑設(shè)計(jì)方案而言，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不是唯一的，不同方案會(huì)使工程質(zhì)量和工程造價(jià)產(chǎn)生很大差別。

一、建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的必要性

為了達(dá)到結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的，工程設(shè)計(jì)人員必須在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，通過(guò)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的理性分析，采用合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)理念和方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得能有效地控制工程造價(jià)，滿足投資方的經(jīng)濟(jì)要求。通過(guò)以往的優(yōu)化設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，相比于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，優(yōu)化設(shè)計(jì)通常可以達(dá)到降低工程造價(jià)5% ～30%的目的。但是在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中，很多因素都制約了優(yōu)化設(shè)計(jì)的開(kāi)展和實(shí)施。比如，工程的設(shè)計(jì)進(jìn)度的要求，使得設(shè)計(jì)人員根本無(wú)暇顧及到結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)要求，為此，為了降低工程造價(jià)的成本，提高設(shè)計(jì)人員在工程建設(shè)過(guò)程中對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的把握非常必要，只有加強(qiáng)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益的有效結(jié)合，通過(guò)合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，達(dá)到降低工程造價(jià)的目的，創(chuàng)造更大的社會(huì)效益。

二、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化應(yīng)滿足的要求

（一）安全性的要求

建筑作為現(xiàn)代人類最主要、最基本的生存環(huán)境，它與我們的生活、工作息息相關(guān)。所以，其安全性是建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中所必須考慮到的一項(xiàng)基本要求。如果只是對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的功能性、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了考慮，而忽略了對(duì)建筑機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)安全性的決策、設(shè)計(jì)與建設(shè)，那么這樣的設(shè)計(jì)是沒(méi)有任何優(yōu)越性可言的，還可能會(huì)帶來(lái)一些災(zāi)難性后果。所以，在建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，安全性是最首要的考慮因素。

（二）滿足舒適性的要求

住宅建筑設(shè)計(jì)應(yīng)為住戶起居舒適性的要求提供條件，例如，多種戶型要靈活分隔室內(nèi)的空間，人居的熱光聲的環(huán)境等要求，給居住的人創(chuàng)造一個(gè)舒適的環(huán)境。結(jié)構(gòu)方案還應(yīng)該考慮到住戶在日后改變分隔的空間的可能性，當(dāng)采用剪力墻結(jié)構(gòu)的時(shí)候，宜采用大開(kāi)間的布置。

（三）經(jīng)濟(jì)性的要求

考慮到建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性不只是為了控制投資成本，更是為了適應(yīng)當(dāng)前的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)環(huán)境。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性是指在滿足安全性、功能性以及環(huán)保性的基礎(chǔ)之上，盡可能降低投資成本。

三、建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方案

（一）耐久性的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在大部分混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中，很多沒(méi)有充分考慮到建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)耐久性，也就是保證高層建成之后，在合理使用期限內(nèi)，要能滿足用戶正常使用要求。但是很多的設(shè)計(jì)未能達(dá)到，造成此現(xiàn)象的根本原因是沒(méi)有充分考慮到建筑結(jié)構(gòu)在使用的過(guò)程中，遭受條件和使用環(huán)境變化最終造成房屋結(jié)構(gòu)損傷，引起房屋可靠度指數(shù)下降。對(duì)一般高層混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，低造價(jià)和省材料設(shè)計(jì)都應(yīng)為滿意的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但隨著人們生活水平的提高和在實(shí)際工程中，有時(shí)在其他使用要求或技術(shù)指標(biāo)上升為設(shè)計(jì)主要矛盾時(shí)，設(shè)計(jì)者們就要放棄對(duì)經(jīng)濟(jì)的單純追求。所以當(dāng)選以高層混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化為設(shè)計(jì)的主要目的時(shí)，就應(yīng)依據(jù)設(shè)計(jì)所要面對(duì)的關(guān)鍵性問(wèn)題，分清主次，選多目標(biāo)或單目標(biāo)來(lái)實(shí)施優(yōu)化，達(dá)到滿意效果。

（二）加強(qiáng)剪力墻的優(yōu)化設(shè)計(jì)

剪力墻設(shè)計(jì)中連梁的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。聯(lián)肢墻是通過(guò)連梁連接的各墻肢聯(lián)結(jié)而成，從而增加了墻肢的約束條件。連梁的剮度增大必將使得結(jié)構(gòu)的地震作用也增大，這樣連梁和墻肢分配內(nèi)力也相應(yīng)增大，此時(shí)必須增大構(gòu)件的配筋量，顯然這一設(shè)計(jì)結(jié)果必然會(huì)造成材料的浪費(fèi)。因此，在住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師都不會(huì)采用大剛度的窗下墻作為連梁，而將連梁設(shè)計(jì)成為截面、剛度較小的弱連梁。同時(shí)，在滿足結(jié)構(gòu)剛度與變形要求時(shí)，應(yīng)從經(jīng)濟(jì)角度與抗力、變形方面綜合考慮，合理布置抗側(cè)力構(gòu)件。顯然，剪力墻數(shù)量越多，結(jié)構(gòu)抗側(cè)力剛度愈大，相應(yīng)結(jié)構(gòu)位移會(huì)減小，但是結(jié)構(gòu)地震力會(huì)隨抗側(cè)力剛度增大而加大，對(duì)結(jié)構(gòu)的造價(jià)控制不利。因此剪力墻應(yīng)以周邊均勻、對(duì)稱、分散等原則合理布置，以規(guī)范規(guī)定的水平位移限值為準(zhǔn)盡可能減少剪力墻數(shù)量。

（三）合理使用高強(qiáng)鋼筋與高強(qiáng)混凝土

高層建筑的總造價(jià)一般都包括框架結(jié)構(gòu)材料、施工和基礎(chǔ)的物料費(fèi)用等，其中用鋼量以及構(gòu)筑件截面積對(duì)房屋造價(jià)影響較大，故在建筑設(shè)計(jì)中合理使用高強(qiáng)混凝土與高強(qiáng)度鋼筋可有效降低用鋼量，節(jié)約建筑成本。若高層建筑設(shè)計(jì)位于厚軟的地基上，那么由于坐落在地基上的荷載大，合理使用高強(qiáng)鋼筋和高強(qiáng)混凝土來(lái)優(yōu)化構(gòu)件的截面積，減輕結(jié)構(gòu)重量，將會(huì)顯著降低工程造價(jià)及基礎(chǔ)設(shè)施施工難度，取得較好經(jīng)濟(jì)效果。對(duì)于震區(qū)的高層樓房來(lái)說(shuō)，地震力作用的大小與建筑物的自重相關(guān)，人為地減輕建筑物的自重，降低結(jié)構(gòu)在地震的荷載，可提高建筑物的安全性。在設(shè)計(jì)中高效地使用高強(qiáng)鋼筋及高強(qiáng)混凝土，能快速有效的縮小梁墻板柱等構(gòu)件截面積，達(dá)到建筑造價(jià)目的。

（四）建筑結(jié)構(gòu)抗震性設(shè)計(jì)

在工程圖紙?jiān)O(shè)計(jì)過(guò)程中，房屋結(jié)構(gòu)按抗震設(shè)防分類，房屋抗震等級(jí)可根據(jù)房屋高度、烈度以及結(jié)構(gòu)類型按國(guó)家《抗震規(guī)范》確定。地震震力振型組合數(shù)據(jù)對(duì)建筑應(yīng)當(dāng)不考慮扭耦聯(lián)轉(zhuǎn)計(jì)算;當(dāng)振型數(shù)大于3的時(shí)候，應(yīng)取3的整數(shù)倍計(jì)算，但數(shù)據(jù)不能大于建筑物層數(shù);當(dāng)房屋層數(shù)不大于2 時(shí)，振型數(shù)則可取房屋層數(shù)。對(duì)于不規(guī)則房屋的結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮扭耦聯(lián)轉(zhuǎn)，對(duì)高層房屋建筑來(lái)說(shuō)，振型數(shù)應(yīng)取不小于9;房屋結(jié)構(gòu)層數(shù)多或房屋結(jié)構(gòu)剛度突變系數(shù)大的話，振型數(shù)則應(yīng)多取，例如結(jié)構(gòu)中含多塔結(jié)構(gòu)或頂部有小塔樓和轉(zhuǎn)換層等，振型數(shù)應(yīng)取不小于12的數(shù)，但其大小仍不能大于房屋總層數(shù)3倍，除非其含有彈性定義的樓板，而且采取總剛性分析的時(shí)候，振型數(shù)才能夠取的更大。

（五）注重細(xì)部?jī)?yōu)化

1、在注重整體設(shè)計(jì)的同時(shí)，也應(yīng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)局部構(gòu)件的精細(xì)設(shè)計(jì)。比如現(xiàn)澆板設(shè)計(jì)中盡量把異形板劃分為矩形板，這樣既達(dá)到合理受力的目的，也避免了拐角裂縫的出現(xiàn)。

2、底部框架抗震墻的底框梁箍筋配箍量一般較大，此時(shí)若選用冷軋帶肋鋼筋作為箍筋，便可減少箍筋肢數(shù)或箍筋直徑，達(dá)到造價(jià)的降低以及施工的方便化。還有，為減少底部截面，采用高強(qiáng)度的混凝土是柱構(gòu)件不錯(cuò)的選擇，但是水平構(gòu)件混凝土可適當(dāng)減少混凝土的標(biāo)號(hào)，滿足了受力要求，也節(jié)約了成本。

四、結(jié)語(yǔ)：

總之，由于目前我國(guó)建筑行業(yè)發(fā)展迅速，在其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇會(huì)到各種問(wèn)題，這就需要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員不斷地積累經(jīng)驗(yàn)，自主創(chuàng)新，利用正確概念進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以便保證建筑的安全性、適用性以及舒適性。

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