建筑結構設計中的數字化應用

簡述了結構設計中數字化應用的意義，通過幾個案例展示了結構設計中數字化應用的情景和思路，最后總結了結構設計中符合數據思維的數字化應用的核心思想。

數據思維; 建筑結構設計; 數字化應用

TU201.4 A

［定稿日期］2022-07-12

［作者簡介］邱賢波（1985—），男，碩士，工程師，長期從事建筑結構設計工作。

21世紀是互聯網時代，是知識經濟時代，隨著各學科和計算機技術快速發展，正在高速進入數字化時代。以互聯網+、物聯網、大數據應用為代表的新經濟的提出，各行各業競相進行數字化改革和發展，數字化已成為新的時代發展主題和趨勢。為融入數字化時代的發展趨勢，作為新時代的建筑結構設計的技術人員應當具備數據思維［1］。

1 建筑結構設計中的數字化應用

在建筑結構設計時，設計人員在結構布置與選型上，要滿足相應的規范和概念設計的原則［2-4］，保證結構的安全合理，通過相關專家的評審。對于業主來說，結構設計能合理地降低土建部分的造價或滿足更有利的使用功能，就相當于是為項目創造了附加價值。根據數據思維的方法論，結合結構設計的經驗，采用一定的數據分析方法，能兼顧上述2個目標，做出保證安全、經濟適用的結構設計方案，既能提升建筑結構的效用，也有助于建筑工程節能減排。以下將結合具體的案例情景，展示結構方案的數字化應用思路。

2 應用案例

2.1 案例一

某項目單層地下室，經過前期與業主的討論溝通和分析比較，綜合考慮經濟性和舒適性，已確定結構方案：采用8.1 m×（7.8 m+8.1 m）組合大柱網，樓蓋采用加腋梁+加腋大板形式，除梁的縱筋采用四級鋼外，其余鋼筋均采用三級鋼。現針對此樓蓋形式進行構件的精細化設計分析，以比選出從經驗出發并滿足規范要求的最優構件截面組合。根據經驗，選定了幾種加腋大板和加腋梁的常用尺寸，然后按構件尺寸并有側重地進行組合確定各對比方案，分別計算各方案并統計結構材料量，通過編寫程序，從各方案的計算模型文件夾里的相應文件中快速讀取混凝土用量、三級鋼用量、四級鋼用量，再將這些數據分別剩上業主提供材料單價，除以試算結構面積，便可得到各方案的單位面積下結構材料成本價格用于比選。各方案基于同一個計算模型來修改構件尺寸，保證同等條件下的可對比性，在Excel中對各方案得出的數據進行分析，最終通過圖表可以很直觀地呈現最優比選方案，如圖1～圖3所示。此方法同樣適用于其他擬定結構方案條件下的經濟性比選分析。

2.2 案例二

某項目一典型框架核心筒的商業+酒店綜合樓，經試算可知外圈框架柱截面尺寸為軸壓比控制。為了減小對建筑使用空間的占用，也保證第二道抗震防線的有效性，柱截面從底層至頂層可采取據層高及功能分段（4層及以上為一段）逐步收小，概念上柱收小截面的起始層要避免混凝土強度同時變小，柱截面收小至最小尺寸限值后不再收小。按位置對稱或受力情況相似的柱進行分組，通過編寫程序，可從計算模型文件夾里的相應文件中讀出各組代表柱的尺寸、軸壓比、剪跨比、混凝土等級、抗震等級等，對這些數據進行迭代反算可得出更接近于受限軸壓比的柱截面尺寸，然后按迭代計算所得柱尺寸修改計算模型再計算，反復幾次即可得出滿足計算要求的各分段優化柱尺寸，如圖4、圖5所示。因柱截面變化內力調整重分配有個別柱截面軸壓比較小超限時可采用加密箍筋來提高軸壓比限值要滿足規范要求，這樣可以保證柱尺寸統一，便對建筑使用條件統一，增大建筑使用面積。此方法同樣適用于低設防烈度地區剪力墻長度受軸壓比控制時的墻長優化分析。

2.3 案例三

某項目一高層剪力墻結構，因建筑方案及業主要求，結構布置要滿足使用上大空間使用或未來隔墻打通改造的要求，因項目處于非高烈度區，樓層數不多，滿足建筑功能要求后的剪力墻布置以軸壓比控制為主，地震作用下的位移角有較多富余。為兼顧經濟性要求，在結構平面布置已確定條件下，重新調整優化剪力墻的布置，在滿足其他各項計算指標的前提下，對比3個剪力墻布置方案的經濟性和位移指標，如圖6、圖7所示。在滿足各項計算指標條件下，重點調整優化某一計算指標，同時對比經濟性數據，以達到優選出滿足規范要求并兼顧經濟性要求的結構布置方案的綜合目標。此方法同樣適用于超限分析或專項分析時各種計算指標的統計分析。

3 結束語

從以上案例可以看出：結合以往豐富的項目結構設計的經驗，可以找出對結構設計方案各目標影響重大的關鍵數據；利用高效便捷的數據分析方法，可以快速分析得出具體項目條件下的方案性結論。符合數據思維的數字化應用需要符合2點：①能找出核心影響因素X與價值目標Y之間的聯系，把問題變成數據可分析問題；②采用各種數據分析辦法，做出可操作性強的數據分析的產品化成果。結構設計過程中不缺乏數據，結構有限元分析計算模型、計算分析結果、構件設計驗算等會產生大量數據，有未來發展趨勢的BIM模型中也含有大量數據（更多用于各專業各環節數據的整合與共享），有了豐富的數據才為數據分析創造了條件。但要提出目標評價指標、找出關聯的核心影響因素數據并不容易，需要結合業主的材料采購，施工方法、時間進度管控、項目結構特點、場地情況等眾多因素綜合考慮，這要求設計人員要有豐富的設計經驗和樂于探索的精神。有了這些關鍵數據后，就可以借助于各種數據分析方法（如：回歸分析、深度學習、人工智能等）進行數據分析了。會進行分析還不夠，在高速發展的互聯網時代背景下，還需要設計人員有一定的編程能力［5］，會編寫一些便捷適用的程序或軟件，做出可操作的快速的批量的數字化應用成果，實現工程項目提效增益的商業價值，從而一步步推動建筑設計行業的數字化發展。

需要強調的是，不同于第三方優化咨詢和計算機輔助優化工具，本文所述結構方案設計優化數字化應用更注重發揮作為設計主體責任人的設計人員的知識經驗和主觀能動性，是一種主動的更靈活的一般性結構設計數字化應用思路，筆者認為這更符合未來常態化的數字化應用的發展趨勢。

參考文獻

［1］ 王漢生. 數據思維［M］. 北京：中國人民大學出版社，2017.

［2］ 混凝土結構設計規范： GB50010-2010（2015年版）［M］. 北京：中國建筑工業出版社，2015.

［3］ 建筑抗震設計規范： GB50011-2010（2016年版）［M］. 北京：中國建筑工業出版社，2016.

［4］ 高層建筑混凝土結構技術規程： JGJ3-2010［M］. 北京：中國建筑工業出版社，2010.

［5］ 羅剛君.Excel VBA程序開發自學寶典（第2版）［M］.北京：電子工業出版社，2011.