結構設計優化在建筑設計中的應用研究

劉華昌

（廣州市花都建筑設計院有限公司，廣東 廣州 510800）

0 引言

優化工程結構設計是提高施工質量的關鍵手段，此技術可以最大程度保證施工過程的穩定與可靠。在結構設計優化上，設計者必須從概念上理解其內涵及運用意義，結合其現實特征及功能性需求制訂出一套合理的設計方案，將其設計過程的錯誤減至最少，確保其順利實施，為中國的建設事業作出更大的貢獻

1 工程概況

某裝配式工程項目被劃分成A、B 兩個地區。A 單元共設8 棟25 層樓房，均為28.6m×17.8m 的框架－剪力墻結構，經BIM 技術仿真后（圖1），通過實例采用計算機對相關參數進行了估計得到了結構關鍵參數、施工類型、地震相關加速度、設防烈度等參數的輸入。采用BIM 技術對相關的技術指標進行了分析框架剪切安全因子1.1、地震作用傾斜度10°、無規偏心率85°。

圖1 BIM 項目模擬

在建筑裝配式建筑的規劃中要重視方案的科學性和可行性，在保證建筑安全可靠和功能完善的前提下盡可能地降低能耗，以專業化、精確的方式進行規劃，從而達到整體的效果。在建筑規劃中，首先要從建筑的功能要求出發，對柱網、外觀、戶型等進行深層次的探討，并對其進行合理改造，以保證建筑結構高度、復雜度等在合理的范圍內。在進行初期階段還要考慮建筑材料、結構體系、關鍵參數等因素的影響，并通過經濟比較從中選擇最優方案；同時要遵循規范的鋼筋混凝土配筋法，運用軟件技術進行精確的計算，并根據工程的具體情況對設計模式和方案進行合理的調節，以保證整個工程的控制。在裝配式建筑的設計中，技術人員需要制訂相關的計劃和設計，并運用BIM 技術進行相關的工作。一般在進行主體結構的時候，既要保證其整體的品質，又要考慮各種不同的作用，同時又要盡量降低成本，增加各種資源的使用，從而大大地提高了整個建筑的綜合效益。在結構的優化上，從兩個層面進行：①確定各種功能需求，合理安排主體，對立柱的連接和內部結構進行仔細分析。②依據工程整體的層次來進行建筑材料、結構體系等的優化和優化，從而提高工程建設的科學性和有效性。

2 結構設計優化在建筑設計中應用的現狀

對裝配式建筑進行更科學、更合理規劃。一般而言，結構優化設計僅用于特定的設計，它的含義就是對整個結構和結構作一概括性的歸納，但可以著重于整體與次級結構之間的機械連接與擴展。結構優化設計是中國建筑的重要組成部分，其可以最大限度地實現整體布局和具體要求，從而達到最佳的效果。縱觀以往的建筑結構工作發展方向，結構優化設計僅局限在某些特定要求或規定的施工項目上，結構設計在整體建筑中是最為關鍵的環節。結構設計優化可以讓建筑更加滿足具體的設計規范和要求。結構設計優化方法可以通過BIM 技術計算模型能夠更精確地進行數值仿真，并對其進行詳細的實例計算[1]。

在現代科技快速發展中，我國的建筑工程技術與工藝技術都有了很大的進步，為我國建筑業的可持續發展作出了巨大貢獻。現代建筑中傳統的設計手法已經不再適用，需要運用現代技術來提升設計的科學性，運用最新的思想來提升建筑的質量，從而推動建筑的智能化發展。高質量的結構設計可以確保構件在施工中發揮作用，確保構件與構件的相互協調，以滿足建筑設計以及施工具體的要求，避免構件和構件之間出現問題，從而降低工程的設計質量。結構設計優化后大大提升了建筑的工作效率，確保了建筑工程質量。

3 在建筑設計中應用結構設計優化的方案

（1）確定建筑物的剛度，以保證其合理性；結構的剛性是影響結構安全性能的關鍵因素之一。合理的結構剛性能夠顯著提高結構的抗震能力同時提高結構的自振頻率。增加剛性可以減少材料的損耗，增加建筑的使用效率，從而達到最佳的結構效果。

（2）要構建起一種合理的社會治理體系。建筑的結構優化設計要遵循科學的、對稱的原則，以降低建筑的材料損耗、降低其抗扭強度、確保其安全性與穩定性。對稱是結構的完整性和一致性的一個主要特點，結構重心要進行合理的調節，以確保結構的對稱性，并最終決定結構的重心。

（3）依據現場的具體條件來決定地基的構造。在進行工程場地勘察與分析時，根據場地地形及建筑物的具體形態選擇最適宜的建筑物基礎。一般來講，房屋地基可以分成兩種類型：“樁基礎”和“箱基礎”，其應用面較為廣泛，但樁基是指在承載量不大或是強度不高的情況下，通過這種方式將承載量傳遞到地基上，然后將其上的載荷傳遞給基體，使得房屋的穩定得到保障；相對于樁基礎而言，箱形基礎具有較好的整體剛性，不但能夠使荷載分布更加均衡，從而增強了結構的安全、穩定，并能夠有效地避免因不均應力而導致的基礎沉降，從而增強了建筑物的抗震性能。

（4）對圖紙進行規范化規劃。在施工過程中，圖紙是最主要的依據和依據，高質量的圖紙能有效地提高施工效率。強化設計標準是確保工程圖的質量。在進行圖紙的編制時應盡可能規范化，例如按統一的標準進行測量，采用統一的標識方法；同時相關部門應強化對設計方案的審核與優化，及時全面地檢查設計方案，對不明確之處進行修改，確保設計的精確性和明確性。在項目的策劃和設計過程中，為了降低結構的沉陷，防止工程的質量和安全問題。在裙樓周邊設置沉陷裂縫，在建筑外墻的外側增加了1.3m 寬的加固板（圖2），保證了建筑的最大寬度在5.5m 以上。為了達到安裝和預制的需要，預制件可選擇一部分的地面或室外的露臺[2]。

圖2 加固板

4 在建筑物結構工程中進行優化設計的注意事項

近幾年，由于建筑行業的快速發展，在科技、經濟、觀念、技術等多方面的支持下，建筑行業逐步步入了一個嶄新的時代。

4.1 嚴格遵循建筑物的構造原理

在規劃階段，首先進行結構優化設計，優化設計流程如圖3 所示，逐步確定功能、用途等以確保建筑的質量。此外在建筑的規劃中要注意充分利用不同的概念，確保其設計的有效性。總體而言，雖然概念化可以滿足特定項目的特定要求，但是在實際項目中卻難以嚴格遵循特定的技術要求。因此工程造價低、施工效率低、設計效率低、施工效率低、施工進度等受到很大限制，若因為各種因素導致竣工結算無法如期完成，對施工企業的經營上也會有影響。在此基礎上通過借鑒前人的設計實踐，對整個建筑物的總體布局進行合理設計、合理調節和實施，從而達到更好的效果。在建筑的設計中，建筑的安全、工期和造價都會受到很大的沖擊。若能科學地運用結構優化設計，不但能改善工程的科學性、合理性、可靠性、安全性，還能降低工程造價中的一些錯誤，從而取得較好的整體效果。基礎的結構狀態直接關系到住宅的穩定性，因而需要保證其特殊性和準確性。在進行結構優化設計時要對當地的地形、自然情況有一個全面的了解，通過大量搜集有關數據才能更好進行結構設計，進而促進整個項目的發展。在施工中箱型基礎、樁基礎是最常見的基礎形式，其應用效果顯著，應充分考慮各種因素選擇合適的基礎。在選取基礎時應注重基礎承載能力及沉陷，而在高層建筑中應選用樁基礎避免大的位移，從而達到良好的調節作用[3]。

圖3 優化設計流程

4.2 強調建筑構造的重點

在具體應用優化設計時，設計師必須對其進行充分了解與研究，從而使其更好地融入設計當中。在結構抗震方面，理念的設計就像是源頭。無論是墻、柱、梁還是加固部位都必須對其進行結構優化設計，以確保其在地震作用下的安全性。在運用結構優化設計時，不僅要增強其設計的科學性，而且要加強其工作的實務操作，以最大限度地優化其設計的功能，以增強其創意。在“創新發展”理念的指導下，對各種功能進行科學、綜合的分析，并據此進行結構設計，既可以改善功能，又可以改善其安全性和提升經濟效益[4]。文中所述項目屬于大基礎、高復雜的高層建筑，為確保大型商用部位的大面積，采取了一種框式剪力墻結構，其立柱間距8.4m×8.4m，在樓梯通道的四邊角和升降機井上設置了框柱和剪力墻，圖4 為一層柱狀網絡的布局，而圖5 為十二層柱狀網格的布局。在此階段采用YJK 級及ETABS 軟件對其進行分析、校核，以保證柱-網軸的合理排列，以達到對結構件的初步估計。從結構設計優化出發應著重考慮基礎剪力、傾覆力矩、樓層剪力和傾覆力矩的分布，以便保證大樓在地震后仍保持良好的力學特性，達到國家相關法規的抗震標準。

圖4 一層柱網分布

圖5 十二層柱網布置

4.3 施工組織抗震設計

（1）選擇合理的建設場地。在選定場地時應保證其良好的地震作用，即便是同一棟大樓，因其建筑物的種類而存在較大差異，從而對整體的結構造成較大的沖擊。在工程建設中應充分考慮到基礎的震害，并參照工程設計與經濟原理合理選擇結構和基礎設計。通過使用該技術使結構的彈性和抗震性能大大改善。

（2）要對建材進行正確選用，以增加建材的使用量。水泥砂漿作為建筑結構的主體，選用適當的結構應滿足特定的規范，選用高強度的模板，一般需要C25 比例以上的混凝土。另外采用HRB400 等高強度的鋼筋作為構件，結合工程實際選擇更為適宜的新材料，在建筑工程中常用的是鋼筋混凝土，既能充分利用二者的優勢，又能增加房屋的安全與穩定。具體的水泥強度要根據工地的具體條件和需求來決定。在施工中混凝土是以水泥灰漿為主，所以要確保其高強度、高品質，以確保其剛度與耐久性。相關部門應提前對施工區地面震動強度進行評定，為工程建設提供依據。若在野外進行試驗達到較高水平時，則可適量其增加強度，設計師要明確兩者的聯系，并參照實際放樣加以修正。通過BIM 技術讓結構設計優化工作得到進一步落實，以BIM 為基礎對地震后及地震后的情景進行仿真與設計，使其具有較高的可靠性和科學性，并對其進行了優化和優化，以取得最佳的結果[5]。

5 結語

綜上所述，通過綜合分析建筑工程項目要求合理設計優化建筑結構可以保障建筑結構實用性與安全性，同時有效提升建筑節能效果和美觀性。因此相關工作人員必須合理運用現代結構設計優化技術制定科學的施工方案，從而在降低工程施工成本的同時保障施工質量與施工安全。