房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用探討

張曉華

（北京維拓時(shí)代建筑設(shè)計(jì)股份有限公司太原分公司，山西太原 030006）

0 引言

在通常情況下，高水平的房屋建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)師在進(jìn)行概念優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)根據(jù)自身具備的建筑專業(yè)理論知識(shí)及豐富經(jīng)驗(yàn)，有效整合房屋建筑結(jié)構(gòu)的整體概念設(shè)計(jì)，并在全面分析房屋建筑內(nèi)外部環(huán)境特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化完善房屋建筑結(jié)構(gòu)。近年來，人們對(duì)房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。為適應(yīng)時(shí)代潮流，房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師應(yīng)打破傳統(tǒng)思想禁錮，充分展現(xiàn)房屋建筑結(jié)構(gòu)的美觀性、實(shí)用性及經(jīng)濟(jì)性。

1 房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述

1.1 房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本含義

在進(jìn)行房屋建筑設(shè)計(jì)過程中，房屋建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)發(fā)揮著不容忽視的重要作用。房屋結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)主要是指設(shè)計(jì)師根據(jù)自身的專業(yè)知識(shí)和已有經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合客戶對(duì)建筑的相關(guān)要求進(jìn)行建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)師必須綜合考量多方面因素，確保設(shè)計(jì)方案與整體房屋建筑結(jié)構(gòu)有效結(jié)合，促使房屋建筑結(jié)構(gòu)充分展現(xiàn)其實(shí)用性和美觀性價(jià)值。目前，房屋建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)需要完成以下目標(biāo)：①必須滿足對(duì)居住功能多樣化的要求。②必須確保建筑造型的美觀、實(shí)用。③積極應(yīng)用先進(jìn)的建筑技術(shù)。在通常情況下，與建筑相關(guān)的設(shè)計(jì)主要可分為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和概念設(shè)計(jì)兩大類；在房屋建筑修建過程中，二者應(yīng)該相互結(jié)合，緊密相連。

1.2 進(jìn)行房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的重要性

隨著我國(guó)建筑業(yè)的高速發(fā)展，建筑能耗越來越高，建筑行業(yè)的發(fā)展必須走可持續(xù)發(fā)展的道路，而這也對(duì)房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師提出了更高的要求。設(shè)計(jì)師必須開拓自身眼界，用更寬泛的眼光完成結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在完成房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，設(shè)計(jì)師還要綜合考量多方面需求，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行進(jìn)一步的修改與完善，從而減少投入成本，同時(shí)為后續(xù)設(shè)計(jì)提供便利。此外，我國(guó)房屋建筑規(guī)模不斷增加，現(xiàn)階段的房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)建立在縮減建筑工程造價(jià)，凸顯房屋建筑后期使用功能的基礎(chǔ)上。基于此，進(jìn)行房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，促使房屋建筑結(jié)構(gòu)科學(xué)化、合理化的發(fā)展也勢(shì)在必行[1]。

1.3 房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的要點(diǎn)內(nèi)容

房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化在一定程度上是指設(shè)計(jì)理念的完善與創(chuàng)新。在完善理念的同時(shí)，設(shè)計(jì)師還應(yīng)合理選用設(shè)計(jì)方法，確保設(shè)計(jì)方案的科學(xué)合理，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果的最優(yōu)化。房屋建筑結(jié)構(gòu)主要是由地基基礎(chǔ)、主體結(jié)構(gòu)、屋面結(jié)構(gòu)等共同組成的，為全面實(shí)現(xiàn)房屋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，設(shè)計(jì)師在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，也應(yīng)著眼于細(xì)節(jié)，充分考量房屋位置、工程造價(jià)結(jié)構(gòu)受力及結(jié)構(gòu)選型等影響因素，在保障經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，合理選擇最優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法[2]。

簡(jiǎn)而言之，設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)過程中需要關(guān)注以下要點(diǎn)內(nèi)容：①充分掌握房屋建筑平面的平整度和結(jié)構(gòu)的對(duì)稱情況，盡量縮小結(jié)構(gòu)剛度布置與建筑整體質(zhì)量分布之間的沖突，提升建筑結(jié)構(gòu)的抗扭曲能力，避免扭曲變形過大的發(fā)生。②為防止外來壓力的集中，有效降低建設(shè)成本，設(shè)計(jì)師盡量避免轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的設(shè)置；再次，在進(jìn)行房屋建筑承重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選擇豎直貫通樣式，以充分利用豎向構(gòu)件承載力。③在進(jìn)行房屋建筑豎直方向的剛性設(shè)計(jì)時(shí)，必須充分保障其層次性，盡量避免因剛性結(jié)構(gòu)突變而出現(xiàn)應(yīng)力集中的問題，從而降低房屋的整體受力性能。

2 房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的具體措施

2.1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化

在進(jìn)行房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)方案的選定至關(guān)重要。而在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)，房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師必須綜合考量建筑設(shè)計(jì)中的多種影響因素，在全面整合內(nèi)外部因素的同時(shí)，對(duì)房屋建筑設(shè)計(jì)中的多種約束條件進(jìn)行透徹分析，并在此基礎(chǔ)上選擇最符合房屋建筑設(shè)計(jì)安全要求、最節(jié)省成本的設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)方案的選擇應(yīng)充分應(yīng)用復(fù)合形法、拉格朗日乘數(shù)法及POWELL等方法。此外，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)詳細(xì)考量建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的外部影響因素，將人力、物力、財(cái)力等客觀因素可能帶來的不良影響降到最低，合理控制建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化中可能出現(xiàn)的安全隱患。最后，在進(jìn)行設(shè)計(jì)方案編制時(shí)，設(shè)計(jì)人員需要進(jìn)一步簡(jiǎn)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在通常情況下，房屋建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)煩瑣復(fù)雜，而隨著建筑承載能力的提升，計(jì)算誤差很可能會(huì)超出規(guī)范要求。而計(jì)算誤差很可能導(dǎo)致工程設(shè)計(jì)成本的增加，因此，精簡(jiǎn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案也是提升整體設(shè)計(jì)方案優(yōu)化程度的有效措施。

2.2 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化

在對(duì)房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須充分考慮房屋建筑結(jié)構(gòu)對(duì)房屋建筑整體安全穩(wěn)定情況造成的影響。因此，在優(yōu)化房屋建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員必須全方位、多角度、綜合考量建筑的結(jié)構(gòu)控制情況，在初步制訂后期設(shè)計(jì)工序方案的同時(shí)，完成基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。以樁基項(xiàng)目設(shè)計(jì)為例，在進(jìn)行該項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須仔細(xì)考慮考慮樁長(zhǎng)及樁徑。此外，為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，相關(guān)人員必須對(duì)建筑設(shè)計(jì)成本進(jìn)行有效控制，明確設(shè)計(jì)采用的先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，同時(shí)還要充分保障房屋建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與當(dāng)前行業(yè)及社會(huì)發(fā)展戰(zhàn)略理念相契合。最后，設(shè)計(jì)師應(yīng)確保房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠滿足當(dāng)下用戶的多樣化審美需求，為后期建筑維護(hù)奠定良好基礎(chǔ)。

2.3 房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型的優(yōu)化

建筑模型的優(yōu)化是房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的第一步，而在優(yōu)化過程中，設(shè)計(jì)人員必須遵循以下原則：首先，合理選擇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量。設(shè)計(jì)人員必須充分了解房屋建筑的各項(xiàng)參數(shù)及系統(tǒng)特性，并對(duì)其展開全面透徹的分析，明確設(shè)計(jì)過程中的各類主客觀影響因素。其次，設(shè)計(jì)人員應(yīng)確定房屋建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)。參數(shù)的選取是房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要環(huán)節(jié)，而成本投入的減少也是進(jìn)行房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的一大目標(biāo)。設(shè)計(jì)師在進(jìn)行建筑模型優(yōu)化時(shí)，可尋求相關(guān)條件及影響因素，有效控制成本投入。另外，設(shè)計(jì)師在開展設(shè)計(jì)工作時(shí)，需要綜合考量房屋建筑結(jié)構(gòu)的安全性及穩(wěn)定性因素，為設(shè)計(jì)方案的有效性和合理性提供充分保障。而在進(jìn)行約束條件設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師還應(yīng)全面分析裂縫寬度、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等約束條件，通過綜合對(duì)比約束條件和房屋建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，進(jìn)一步規(guī)范設(shè)計(jì)要求，促使房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作發(fā)揮最大價(jià)值[3]。

2.4 上部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

大量研究證明，相較于房屋建筑其他部位的結(jié)構(gòu)來說，上部結(jié)構(gòu)更容易被剪切力影響。一旦上部結(jié)構(gòu)遭到剪切力的干擾，房屋建筑的穩(wěn)定性將大幅下降?；诖?，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，也應(yīng)提出更具針對(duì)性的設(shè)計(jì)方案，保證結(jié)構(gòu)具備一定剛度，使結(jié)構(gòu)受到水平外力時(shí)變形形態(tài)為彎曲變形，從而為建筑物的安全穩(wěn)定提供更強(qiáng)有力的保障。首先，房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師應(yīng)優(yōu)化剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注建筑平面形心與結(jié)構(gòu)中心的設(shè)計(jì)情況，確保二者達(dá)成一致。此外，設(shè)計(jì)人員必須對(duì)建筑空間進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，通過選用合理的計(jì)算方式來完成結(jié)構(gòu)計(jì)算，確保剪力墻墻體與建筑墻體達(dá)成一致。在該階段，設(shè)計(jì)人員應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注豎向構(gòu)件連續(xù)性，聚焦其中的錯(cuò)洞和大洞口現(xiàn)象，避免承重墻出現(xiàn)安全事故。而在確定柱截面與墻長(zhǎng)時(shí)，設(shè)計(jì)人員也應(yīng)充分考量適用的建筑工藝技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)建筑層高與層數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.5 地下室結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

作為房屋建筑的重要組成部分，地下室的結(jié)構(gòu)成本往往在結(jié)構(gòu)總成本中占據(jù)較大比重。因此，對(duì)地下室結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效優(yōu)化，也能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)成本控制。在優(yōu)化地下室結(jié)構(gòu)的過程中，設(shè)計(jì)師應(yīng)在滿足建筑設(shè)計(jì)需求的基礎(chǔ)上，通過降低地下室層高的方式來節(jié)約設(shè)計(jì)材料，達(dá)到成本控制的目的。同時(shí)，降低地下室層高也能減少設(shè)計(jì)階段土方的開挖量，節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間，降低后期的成本維護(hù)費(fèi)用。此外，設(shè)計(jì)師還應(yīng)充分考量設(shè)計(jì)地段環(huán)境，比如：在地下水源較充足的地段進(jìn)行設(shè)計(jì)建設(shè)時(shí)，必須綜合考量浮力對(duì)房屋建筑結(jié)構(gòu)造成的影響，可在一定程度上降低地下室層高，減少抗拔樁數(shù)量及底板配筋使用量。

而在正式進(jìn)行地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)全面考慮地下水浮力、土壤重力轉(zhuǎn)化等客觀因素，因?yàn)榇祟愐蛩貢?huì)對(duì)房屋建筑結(jié)構(gòu)造成一定的影響。地下室底板及側(cè)墻所承受的平面外的力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地上構(gòu)件所承受的平面外的力，地下鋼筋用量會(huì)遠(yuǎn)大于地上，因此地下構(gòu)件精細(xì)化區(qū)分設(shè)計(jì)更為重要。在實(shí)際設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)師應(yīng)詳細(xì)分析對(duì)房屋建筑的每一部分鋼筋配置情況，完成建筑用料估算及統(tǒng)計(jì)。在受力較少的結(jié)構(gòu)部位，可使用通長(zhǎng)鋼筋，如房屋結(jié)構(gòu)部分的受力較大，則可采用局部附加等方式完成建造。

2.6 與設(shè)備管綜配合設(shè)計(jì)

房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化進(jìn)行應(yīng)用的同時(shí)，還應(yīng)與設(shè)備管線進(jìn)行配合優(yōu)化設(shè)計(jì)。例如，給排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)是房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要組成部分，其復(fù)雜程度較高，應(yīng)充分考慮實(shí)際情況來開展設(shè)計(jì)。特別是穿墻管道設(shè)計(jì)中，應(yīng)以便于施工為原則，提前預(yù)留管道碰撞檢測(cè)的空間，并做好預(yù)埋孔洞的標(biāo)記，以便于施工方在施工的時(shí)候可以提前預(yù)埋孔洞，避免返工問題的出現(xiàn)。對(duì)于需穿過承重墻的排水管道，應(yīng)做好對(duì)周圍的加固處理，保證承重墻的穩(wěn)定性。于設(shè)備管綜配合設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮施工方面的問題，避免管道繞柱問題的出現(xiàn)[4]。隨著科技的進(jìn)步，BIM技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中得到了越來越多的應(yīng)用。于設(shè)備管綜配合設(shè)計(jì)中，也可以應(yīng)用BIM技術(shù)，來開展碰撞檢測(cè)，確保結(jié)構(gòu)構(gòu)件與設(shè)備管線的協(xié)調(diào)性，提高建筑整體質(zhì)量。

3 進(jìn)行房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)

3.1 加大前期工作的投入力度

在房屋建筑工程建造過程中，設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)發(fā)揮著不容忽視的重要作用，設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞將直接影響房屋建筑的設(shè)計(jì)成本、功能質(zhì)量和工程效益。因此，相關(guān)工作人員必須提高自身參與度，在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前期便參與工作。此外，設(shè)計(jì)師也應(yīng)將自身的設(shè)計(jì)理念與現(xiàn)代房屋建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需求有效融合，相關(guān)工作人員可根據(jù)房屋建筑設(shè)計(jì)的實(shí)際情況進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)方案并提出建設(shè)性意見。

3.2 重視先進(jìn)技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的作用

隨著房屋建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，先進(jìn)技術(shù)的廣泛應(yīng)用和高效融合已是大勢(shì)所趨。而在現(xiàn)代化的房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)師可根據(jù)客戶需求和設(shè)計(jì)目標(biāo)的差異性，將計(jì)算機(jī)等先進(jìn)技術(shù)有效應(yīng)用于整個(gè)設(shè)計(jì)周期，進(jìn)一步提升設(shè)計(jì)工作的質(zhì)量和整體效率，減少人工成本投入。此外，計(jì)算機(jī)等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，還能進(jìn)一步優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)信息管理，明確各項(xiàng)工程數(shù)據(jù)，幫助相關(guān)工作人員快速且熟練地掌握各項(xiàng)工程項(xiàng)目參數(shù)。

3.3 優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件細(xì)部設(shè)計(jì)

在優(yōu)化房屋建筑整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同時(shí)，其內(nèi)部建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化也不容忽視。將內(nèi)部建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有效融入設(shè)計(jì)各環(huán)節(jié)，不僅能保證工程設(shè)計(jì)符合相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，而且能進(jìn)一步展現(xiàn)房屋建筑工程價(jià)值及使用性能。以現(xiàn)澆板設(shè)計(jì)為例，設(shè)計(jì)人員必須對(duì)現(xiàn)澆板的受力情況進(jìn)行綜合分析，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。只有這樣，才能有效避免后續(xù)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的拐角裂縫的現(xiàn)象。

3.4 充分利用信息技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

如今，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越有益于人們的生活。使用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行房屋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以取得非常顯著的效果。例如，通過計(jì)算機(jī)的精確計(jì)算，可以充分整合相關(guān)數(shù)據(jù)信息，減少因數(shù)據(jù)缺陷造成的不必要損失。另外，在房屋建筑設(shè)計(jì)時(shí)，要充分發(fā)揮建筑師的能動(dòng)性，如果僅僅依靠計(jì)算機(jī)技術(shù)來優(yōu)化結(jié)構(gòu)，是有局限性的。例如，在制定建筑設(shè)計(jì)方案之初，就應(yīng)對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估。計(jì)算機(jī)只能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)分類，不能充分考慮建筑藝術(shù)的獨(dú)特設(shè)計(jì)。此外，當(dāng)出現(xiàn)特殊情況時(shí)，計(jì)算機(jī)無法做出判斷并制定適當(dāng)?shù)慕鉀Q方案。因此，只有保證建筑設(shè)計(jì)者的主觀能動(dòng)性能夠得到充分發(fā)揮，建筑設(shè)計(jì)才能做到合理性。例如，在優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)之前，需要整合計(jì)算機(jī)統(tǒng)計(jì)技術(shù)的各個(gè)方面，然后結(jié)合環(huán)境的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)出滿足人們高要求的建筑，確保建設(shè)項(xiàng)目的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

4 結(jié)語(yǔ)

在房屋建筑工程設(shè)計(jì)過程中，建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化已得到充分重視和廣泛應(yīng)用。為了充分保障房屋建筑結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)質(zhì)量，順利推進(jìn)建筑工程后續(xù)設(shè)計(jì)，滿足人們對(duì)房屋建筑結(jié)構(gòu)的多樣化需求，相關(guān)單位及設(shè)計(jì)人員必須對(duì)房屋建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)方案及設(shè)計(jì)模型進(jìn)行全方位優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)我國(guó)房屋建筑事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。