房屋建筑結構設計優化技術應用研究

高雅儒

（深圳市華納國際建筑設計有限公司長沙分公司，湖南長沙 410000）

0 引言

房屋建筑結構設計的質量尤為關鍵，直接關系著房屋建筑項目的整體安全性。優化房屋建筑設計方案時，各類房屋建筑結構功能差異較大，設計人員需結合房屋建筑結構的實際情況，綜合考慮建筑結構的藝術性、建筑用料成本、建筑項目實用性等因素，制定合理的優化方案，以此減少建材用量，滿足房屋建筑的質量要求。為此，研究優化技術的實際用法，以此改善房屋建筑結構性能，具有較高的價值。

1 優化技術用于房屋建筑結構設計的積極作用

1.1 控制施工成本

優化房屋建筑結構的各項工作具有較強的成本控制功能。使用優化技術時，可增強建材使用的合理性，避免板材的浪費問題，提高房屋建筑結構整體布局的科學性。使用優化技術時，需制定全面的成本控制方案，以此保證建筑資金的使用效果。

1.2 保證建筑安全

在科技的支持下，國內房屋建筑結構的整體設計質量穩步提高。使用受力分析程序，能夠載入更為全面、更具實用性的建筑資料，以此改善建筑結構的整體性能，使其更具安全性。采取參數設計房屋建筑結構的形式，可提升前期設計的精準性，減少設計變更次數，增強建筑成本的控制效果，合理設計建筑外觀結構，切實保證建筑結構的安全[1]。

1.3 提高房屋建筑的附加價值

在采光、采暖等方面，逐一開展房屋建筑結構設計，以此滿足人們的照明、取暖等多種居住需求。然而，多數項目出售前，未有效控制樓間距，樓層高度設計不適宜，無法保證建筑居住的舒適性，間接降低了項目的使用價值。優化技術的使用，能夠合理設計樓間距，確保樓層高度設計的合理性，切實增強土地資源的利用能力，從采光、取暖、通風等各個方面提高建筑項目的附加價值，創造更多的經濟收入。

2 優化技術用于房屋建筑結構的具體表現

2.1 整體優化

結構設計效果直接決定房屋建筑的質量，設計單位應綜合考慮多方因素，給出合理的設計優化方案。整體優化方案要求從各個方面、全環節視角統籌規劃各項建筑資源，規范操作各項工藝，以此保障結構設計質量，達到優化設計效果。整體優化后，加強用料質量的控制，對各類部件、各種用料逐一進行質量檢查，使其正常發揮部件功能。設計期間，需關注各類環境因素可能帶來的不利影響，加強人力、物資各項資源的分配，積極排查潛在的風險因素，防止養護不到位造成結構病害問題。結構設計期間，應融合簡化設計思想，控制設計偏差，降低施工成本。例如，對某房屋建筑項目進行抗震設計，使其擁有較強的抗震能力，編制相應合規的抗震方案，增強項目整體結構的承載能力，保證建筑結構設計的簡化效果[2]。

2.2 地基優化

在房屋建筑結構的各項設計工作中，地基設計占據較為關鍵的地位，設計項目結構時，應明確優化地基結構的重要性。設計前期，設計人員應從全環節視角全面思考地基結構的性能要求，同步落實地質勘查工作，合理分析地質性能，綜合測算地質結構的受力情況。以結構安全為視角，全面開展項目安全設計工作。項目管理人員應積極承擔自身崗位責任，綜合考量地基結構性能的不利因素，做出相應預案，有效排查地基設計問題。

例如，某單位使用數值模式方法載入建筑資料，開展地基優化設計分析。案例項目的地基管樁內徑為0.3 m，外徑為0.4 m，管樁長度為18 m。數據模擬時，土體半徑參數設計為8 m，土體高度參數取54 m，以此防止出現邊界影響。管樁、樁帽等位置，均參照現場試驗得出參數。墊層厚度為30 cm，半徑為8m。承壓板內徑長度為1.7 m，具體設計如圖1所示。

圖1 案例項目地基管樁的計算模型

對土層資料進行簡化處理，得出土體用料屬性，處理結果如表1所示。

表1 墊層用料性能

地基優化設計時，采取數值模擬方法，考量路基剖面的設計需求，使用有限元軟件創建兩種設計方案，建立單組復合地基（圖2）、矩陣式四組群樁地基（圖3）兩種方案，從樁徑長度、管樁間隔、墊層大小等多個方面逐一進行優化設計。

圖2是單排樁地基的設計方案，土體邊長取160 m，土體高度是邊長的一半，即80 m。

圖2 單排樁地基的設計方案

圖3是矩陣式群樁設計方案，管樁基礎長度為18 m，管樁直徑為0.4 m。案例項目地基結構優化設計方案如表2所示。

表2 案例項目地基結構優化設計方案

圖3 矩陣式群樁設計方案

優化處理后，從無墊層、20 cm墊層、40 cm墊層、60 cm墊層4個方面逐一對比地基沉降情況。經對比發現，墊層厚度對地基沉降具有一定正向作用，地基優化設計時，墊層厚度參數可選擇30～50 cm，以此保障地基沉降的控制效果。對比樁帽與樁間距各方案發現，相同樁距條件下，增大樁帽規格時，會相應增強地基性能；相同荷載作用時，樁帽規格增加后，會降低地基沉降量，樁間距對地基承載性能、結構形變會形成一定影響。當樁間距/樁帽的結果為0.29～0.36時，地基承載性能明顯增強，地基沉降量較大。當樁間距與樁帽的比值大于0.36時，承載力增加量會減小，地基沉降量相應變小。為此，地基優化設計時，樁帽大小應等于樁間距的0.2～0.4倍，以此控制地基沉降量，保證地基設計的優化效果。

2.3 剪力墻優化

相關施工單位應關注剪力墻的設計效果，合理使用剪力墻，間接增強結構平穩性，降低事故發生的概率，營造安全宜居的建筑空間。設計剪力墻時，設計人員需合理分布墻體結構重量，使建筑剛度等同于各層結構質量。設計人員還應合理設計剪力墻的質量承載能力，合理設計水平方向，使其處于角度平衡狀態。在剪力墻施工期間，需結合項目實況，全面分析剪力墻結構性能，準確測算墻體結構受力參數，結合項目實際需求，從結構強度、結構剛度等多個方面進行優化設計[3]。

例如，某單位進行剪力墻設計時，在抗震設計、內力測算、位移測定等方面逐一融合綠色思想，進行了結構優化設計。設計時，將剪力墻的個數、結構厚度等因素設定成變量。優化設計后，清晰地調整剪力墻布設結構，有效控制剪力墻用量，調整剪力墻厚度，以此增強結構整體的抗震能力，減少房屋建筑結構的碳排放量。案例項目剪力墻優化設計方案如表3所示。

表3 案例項目剪力墻優化設計方案

參照剪力墻優化需求，維持建筑功能，改進剪力墻的設計方法。優化設計時，未改變剪力墻的用料、規格等參數，僅對布局數量進行優化。優化時，對于剛度變動位置、樓梯步行區、電梯間各處設計的剪力墻都進行保留處理。調整結構中剪力墻的規格，改變剪力墻墻肢結構，將其加工成“工字型”“T字型”等結構，以此提升優化設計效果。未優化時單層墻肢長度是147 m，優化后，各層墻肢長度為134.3 m，使墻肢長度縮短了12.6 m。圖4是優化前后兩個剪力墻結構的位移統計。

圖4 優化前后兩個剪力墻結構的位移統計

圖4中，橫坐標表示位移量，單位為mm；△線代表未優化時剪力墻結構的位移情況；*線表示優化后剪力墻結構的位移情況。由圖4可知，優化前相比優化后的位移表現更明顯，但兩個方案的位移差距較小，證明墻肢調小的優化設計方案可行，不會改變剪力墻的結構性能，可減少用料施工，使結構分布更合理。

2.4 電氣優化

設計建筑結構時，設計人員應關注電氣程序、設備安裝的各項設計方法，堅持導向設計思想，在樓板、墻體等多個方位逐一進行電氣安裝，并參照電氣安裝規范，保證設備安裝質量。施工期間，極易發生電氣穿梁問題，因此設計人員需提前設計孔洞位置，使梁體寬度等同于墻體寬度，防止管線露出墻外。房屋建筑結構內部的電梯設計是豐富房屋建筑功能的關鍵項目，電梯含有多種構件，應合理進行電氣優化設計，保證電梯運行的平穩性[4]。

2.5 排水優化

排水設計應從排水效果、管線荷載力等方面，合理進行設備裝配。地下室結構需使用優化技術嚴格測算管線預留規格、管線敷設深度，加強樓板鉆孔方位設計，給出相應的加固處理方案。針對水平方向管線設計工作，需加強重視，防止出現管線貫穿梁體問題。若有管線穿過承重墻的需求，應參照設計規范，做出相應的加固處理，提高排水管網的整體設計質量。

建筑結構優化中的排水設計任務，是以中水系統、管徑流向為設計主體。中水系統能夠有效提高污水、雨水的凈化處理質量，使其達到重新使用的標準，循環用水，減少水源消耗，取得較高的經濟收益。設計人員需全面考量用料、運輸、用工等各項成本，優選設計方案，必要時利用節水器具、變頻水泵進行排水系統設計，以此減少水源消耗，發揮節水優化設計的積極作用。

2.6 室內優化

室內裝飾設計是從空間、家具、色彩等方面逐一進行結構設計。設計人員進行結構設計時，應考慮用戶對各居室的使用需求，以人體工學視角，從站立、行走、坐臥等方面逐一進行內飾設計。此種結構設計工作要求工作人員利用自然資源，從溫度、濕度、通風等方面進行室內結構設計，減少能耗。例如，進行建筑室內防水優化布局時，初期選擇輕質用料進行施工，如碳渣、煤渣等，但此類用料承重能力不足，會發生衛生間沉降問題，為此，應進行管道位置校準，增設相應的防水層，保證優化設計質量。在進行防水設計時，可選擇二次排水結構。施工時，回填2層、防水處理2次。在水電管線敷設完工后，進行首次回填處理，回填高度介于15～25 cm，去除無用管線，進行防水處理。再循環進行一次回填與防水，以此保障防水質量[5]。

3 結語

綜上所述，使用優化技術開展房屋建筑結構的設計工作，參照建筑結構的實際功能，梳理結構優化方法，給出時效性較強的結構優化方案，增強優化技術的新穎性。相關單位應結合實際工作需求，總結優化技術的使用方法，加強優化技術的專業交流，探索優化技術的使用方法，切實提高房屋建筑結構的各項設計質量。