建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)優(yōu)化的研究與應(yīng)用

李木子

（唐鋼國際工程技術(shù)有限公司，河北唐山 063000）

1 引言

通過建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)優(yōu)化不但可以有效提升建筑質(zhì)量，繼而保證建設(shè)單位或者建筑使用者對質(zhì)量的需求，而且還可以行之有效地降低工程總造價(jià)，提升建筑項(xiàng)目的綜合效益。基于此，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化得到了建筑從業(yè)者的高度重視。

2 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)優(yōu)化要點(diǎn)

2.1 建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化要點(diǎn)

建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)質(zhì)量直接影響著建筑總體質(zhì)量，也是建筑主體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主控因素。基于此，在建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，建筑設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)除了要總結(jié)自身團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，還要與建筑基礎(chǔ)施工團(tuán)隊(duì)保持密切聯(lián)系和有效溝通，廣納建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工方面的專業(yè)人士的建議，最終確定一個適應(yīng)項(xiàng)目本身的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案[1]。比如，近年來，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對抗震墻的關(guān)注比較多，因?yàn)榻ㄖ拐鹉芰Τ伺c抗震墻建筑要求有關(guān)外，還與建筑結(jié)構(gòu)頂部和建筑結(jié)構(gòu)底部的協(xié)調(diào)性有關(guān)。因此，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，除了要考慮抗震墻的建筑要求外，還要考慮建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式對抗震墻施工的影響，從而對建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行科學(xué)合理優(yōu)化。

2.2 建筑整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化要點(diǎn)

建筑工程整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平對建筑工程結(jié)構(gòu)各個方面都會產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，如建筑結(jié)構(gòu)抗震能力、抗剪能力以及建筑資源消耗情況等都與建筑工程整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量息息相關(guān)。基于此，在建筑整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，要不斷吸取同類型項(xiàng)目的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，依據(jù)建筑項(xiàng)目設(shè)計(jì)規(guī)范要求，對建筑設(shè)計(jì)方案進(jìn)行針對性技術(shù)優(yōu)化。目前，我國建筑整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中較為常見的建筑整體結(jié)構(gòu)類型主要包括建筑框架結(jié)構(gòu)、建筑短肢剪力墻結(jié)構(gòu)以及建筑框剪結(jié)構(gòu)等。其中，建筑框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中對截面柱墻體結(jié)構(gòu)的需求量較大，這些規(guī)模不小的截面柱結(jié)構(gòu)對建筑工程內(nèi)部空間利用率造成了一定影響。建筑短肢剪力墻結(jié)構(gòu)既能有效提升建筑結(jié)構(gòu)抗震性能，又能充分降低建筑工程材料的使用量。在這3 種建筑整體結(jié)構(gòu)中，建筑框剪結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍最廣，建筑框剪結(jié)構(gòu)的抗震性能和抗剪能力都比較突出。由此可見，無論是建筑框架結(jié)構(gòu)還是建筑框剪結(jié)構(gòu)都具有各自的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，建筑設(shè)計(jì)從業(yè)者要根據(jù)建筑產(chǎn)品的用途和建筑工程實(shí)際情況，對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)涉及的不同因素進(jìn)行系統(tǒng)全面的分析研究，對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行科學(xué)合理的技術(shù)優(yōu)化。通過建筑整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，不但可以提升建筑結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和使用安全性，還能有效降低工程總造價(jià)，提升建筑工程的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

2.3 建筑細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化要點(diǎn)

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)優(yōu)化還包括建筑細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的異形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)要使用多個矩形板進(jìn)行拼接，繼而達(dá)到提升結(jié)構(gòu)受力平衡的目的。此外，運(yùn)用多個矩形板拼接方式來控制結(jié)構(gòu)拐角縫。與此同時，在建筑框架抗震墻設(shè)計(jì)過程中，需要使用冷軋帶肋鋼筋，為了便于后續(xù)現(xiàn)場施工作業(yè)和降低整體工程造價(jià)，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)需要將冷軋帶肋鋼筋數(shù)量控制在合理范圍內(nèi)。建筑結(jié)構(gòu)細(xì)部設(shè)計(jì)優(yōu)化過程中，為了實(shí)現(xiàn)建筑細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可視化，通常采用三維仿真模型軟件進(jìn)行仿真模擬，確保建筑細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

3 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化技術(shù)措施

3.1 概念設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)措施

不同建筑設(shè)計(jì)師對建筑結(jié)構(gòu)的理解不盡相同，即便是同一個設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)師對建筑結(jié)構(gòu)的理解也不盡相同。為了確保建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的統(tǒng)一性，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)該在設(shè)計(jì)前對建筑所在區(qū)域進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，掌握一手設(shè)計(jì)資料，對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的概念進(jìn)行集體討論，對建筑材料設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行集中討論。在對建筑結(jié)構(gòu)概念相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行討論時，除了設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)內(nèi)人員參加外，還應(yīng)邀請建設(shè)單位相關(guān)人員參加，力求建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在概念階段達(dá)成一致。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前期內(nèi)容討論的質(zhì)量和完善程度可以有效提升建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量和建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效率，也充分降低了因建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念和設(shè)計(jì)方案內(nèi)容模糊不清而導(dǎo)致的后續(xù)施工進(jìn)度延誤情形發(fā)生的概率。此外，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念確定過程中，引入不同建筑主體參與系統(tǒng)性討論，能有效提升不同建筑主體對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)屬性的認(rèn)知，并加深了不同結(jié)構(gòu)主體對建筑項(xiàng)目的理解，在遇到實(shí)際問題時可以與設(shè)計(jì)人員進(jìn)行及時有效溝通，確保建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量。

3.2 建筑安全結(jié)構(gòu)技術(shù)優(yōu)化措施

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心要素。建筑物或者構(gòu)筑物是人們生產(chǎn)生活的主要場所，結(jié)構(gòu)安全性自然是所有建筑使用者最關(guān)心的問題，結(jié)構(gòu)安全性也是建筑設(shè)計(jì)者首要考慮的問題。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中要將結(jié)構(gòu)安全第一的理念融入設(shè)計(jì)中，持續(xù)提升建筑結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)質(zhì)量。基于此，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)要充分了解建筑所在地的自然環(huán)境，科學(xué)分析自然環(huán)境對建筑結(jié)構(gòu)安全的影響，特別是對連續(xù)降雨或者季節(jié)性降雨較大區(qū)域要充分考慮到降雨對建筑主體的不利影響，在設(shè)計(jì)過程中采用必要的應(yīng)對措施。與此同時，建筑設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)還應(yīng)考慮地震等特殊自然災(zāi)害因素對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量的影響，采取行之有效的措施確保建筑結(jié)構(gòu)在特殊自然災(zāi)害中仍然具有一定的抵抗能力。換言之，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中要將抗震等因素考慮進(jìn)去，確保建筑結(jié)構(gòu)在極端自然災(zāi)害面前仍具有一定的抵抗能力。

3.3 建筑主體結(jié)構(gòu)技術(shù)優(yōu)化措施

建筑主體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)主要是指建筑剪力墻結(jié)構(gòu)技術(shù)優(yōu)化和建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)優(yōu)化。建筑剪力墻結(jié)構(gòu)是建筑物整體穩(wěn)定性的基石，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)在確保結(jié)構(gòu)體的分布均勻且建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部有足夠的使用空間的基礎(chǔ)上，利用剪力墻結(jié)構(gòu)的合理設(shè)置來提升建筑結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

4 建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用需要注意的問題

4.1 現(xiàn)代化技術(shù)的運(yùn)用

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中要充分調(diào)動各類先進(jìn)的現(xiàn)代化技術(shù)，利用現(xiàn)代化技術(shù)輔助建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，促進(jìn)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)高質(zhì)量發(fā)展。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員可以充分利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件、大數(shù)據(jù)信息以及BIM 等先進(jìn)技術(shù)來提升建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員可以通過BIM 技術(shù)來模擬建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，通過可視化技術(shù)更為直觀地觀察到建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的每一處細(xì)節(jié)，根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的具體情況和建筑實(shí)際使用需求，對建筑結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行科學(xué)優(yōu)化，繼而提升建筑結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)質(zhì)量。

4.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

建筑結(jié)構(gòu)分為建筑外結(jié)構(gòu)和建筑內(nèi)結(jié)構(gòu)。建筑設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中將主要精力放在了建筑外部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化也是主要對建筑外部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，而對建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化則沒有給予足夠的關(guān)注。沒有對建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果減半，導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化質(zhì)量的提升受到限制。基于此，要從建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部和外部的每一處細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，盡最大努力提升建筑質(zhì)量，從多維度考量建筑設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化問題，有效提升建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量[2]。

5 優(yōu)化技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

現(xiàn)階段，建筑結(jié)構(gòu)以框架結(jié)構(gòu)居多，本文以某框架結(jié)構(gòu)建筑為背景案例，分析建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在建筑框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用。

5.1 工程實(shí)例

某工程建筑項(xiàng)目為多層商業(yè)建筑，建筑形式為框架結(jié)構(gòu)，建筑層數(shù)為地上3 層，建筑高度為12.3 m，建筑基礎(chǔ)埋深1.5 m，建筑基地壓力設(shè)計(jì)值為120 kPa。根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016 年版）規(guī)定，建筑抗震設(shè)防烈度為7 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.15g（屬第一組）。通過對勘察孔號為7#、17#、35#、47#、46#、63#、69#、73#鉆孔中采用單孔檢層法進(jìn)行了土層剪切波速測試，測深均為20.00 m。根據(jù)波速測試結(jié)果分析：場地自然地面下20.00 m 深度范圍內(nèi)，地基土等效剪切波速值分別為229.9 m/s、219.9 m/s、223.0 m/s、220.6 m/s、219.2 m/s、228.5 m/s、226.7 m/s、221.7 m/s，場地覆蓋層厚度dov＞50.00 m，根據(jù)GB 50011—2010 《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016 年版）第4.1.6 條規(guī)定，建筑場地類別為Ⅲ類，屬可進(jìn)行建設(shè)的一般場地。多層商業(yè)設(shè)計(jì)使用年限50 年，多層建筑的風(fēng)壓和雪壓數(shù)值均為0.35 kN/m2。

5.2 框架結(jié)構(gòu)建筑優(yōu)化設(shè)計(jì)

5.2.1 建筑基礎(chǔ)優(yōu)化

多層商業(yè)建筑的天然地基承載力能滿足要求時，可考慮采用天然地基，但應(yīng)考慮②層黃土狀粉土和③層黃土狀粉質(zhì)黏土的濕陷性影響。根據(jù)常規(guī)經(jīng)驗(yàn)可知，建筑地基基礎(chǔ)的造價(jià)占建筑總造價(jià)的15%左右，所以優(yōu)化建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案對降低工程總造價(jià)有一定促進(jìn)作用。考慮天然地基具有一定的濕陷性，建議采用換填處理，也可采用擠密夯實(shí)水泥土樁進(jìn)行地基處理，以④層粉土或⑤層粉細(xì)砂為樁端持力層。

5.2.2 建筑框架梁優(yōu)化

該多層商業(yè)建筑的主要構(gòu)成部分為框架梁，換言之，框架梁的整體質(zhì)量影響著該多層商業(yè)建筑的質(zhì)量，所以通過框架梁的設(shè)計(jì)優(yōu)化既可以有效提升多層商業(yè)建筑的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，又可以充分降低多層商業(yè)建筑結(jié)構(gòu)的總造價(jià)。多層商業(yè)建筑框架梁的優(yōu)化要在設(shè)計(jì)允許的基礎(chǔ)上進(jìn)行，所有的優(yōu)化不能偏離設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，依據(jù)建筑實(shí)際情況和相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，該多層商業(yè)建筑框架的截面跨度應(yīng)≥220 m，多層商業(yè)建筑框架的梁高跨比為1/10，多層商業(yè)框架梁的配筋率≥1.52%。

5.2.3 建筑框架柱的優(yōu)化

該多層商業(yè)建筑框架柱距離為8 m，最初的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中確定的框架柱尺寸有兩種，一種尺寸規(guī)格是0.5 m×0.4 m，另外一種尺寸規(guī)格是0.5 m×0.5 m，通過軸壓比計(jì)算方法計(jì)算了各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)均符合該多層商業(yè)建筑需求。此外，對多層商業(yè)建筑框架柱進(jìn)行雙偏壓計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果依然符合工程建設(shè)質(zhì)量要求。為了進(jìn)一步優(yōu)化多層建筑框架梁設(shè)計(jì)，將框架柱尺寸規(guī)格由原來的0.5 m×0.4 m 和0.5 m×0.5 m 優(yōu)化成0.45 m×0.4 m 和0.5 m×0.45 m，并對優(yōu)化后的規(guī)格尺寸進(jìn)行軸壓比計(jì)算，通過計(jì)算結(jié)果可知，優(yōu)化后的框架柱尺寸規(guī)格符合多層商業(yè)建筑質(zhì)量要求。多層商業(yè)建筑框架柱結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化后，將框架梁的鋼筋含量從原設(shè)計(jì)的20%降低到了優(yōu)化后17%，在滿足建筑質(zhì)量要求的前提下，降低了工程總造價(jià)，提升了該多層商業(yè)建筑的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

5.3 多層商業(yè)建筑優(yōu)化效果分析

通過對該多層商業(yè)建筑框架梁規(guī)格尺寸的優(yōu)化和建筑地基基礎(chǔ)處理形式的優(yōu)化，建筑整體用鋼筋量減少，優(yōu)化后的建筑鋼筋用量減少了12%左右，充分降低了該多層商業(yè)建筑的施工成本。由此可見，該多層商業(yè)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化所選擇的優(yōu)化點(diǎn)：建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)優(yōu)化、建筑框架梁優(yōu)化和建筑框架柱尺寸優(yōu)化是比較正確的選擇，既提高了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量又降低了該多層商業(yè)建筑的整體造價(jià)。

6 結(jié)語

綜上，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的技術(shù)優(yōu)化種類較多，至于具體對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的哪部分進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)人員要根據(jù)項(xiàng)目具體情況進(jìn)行綜合考量，要根據(jù)項(xiàng)目建設(shè)場地勘察資料制訂初步的建筑設(shè)計(jì)方案，并在此基礎(chǔ)上充分利用多種技術(shù)優(yōu)化手段來提升建筑設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低工程造價(jià)，最終達(dá)到建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。