探究結構優化設計在建筑工程設計中的意義和應用*

王 波

(甘肅土木工程科學研究院有限公司 蘭州 730020)

新的社會經濟發展形勢背景下,為提高建筑工程的質量和水平,設計人員需積極優化整體建筑結構,促使建筑工程項目更加安全、穩定、美觀,并且充分滿足各方需求。設計建筑工程項目過程中,設計人員應積極優化整體結構設計工作,系統考量如何形成更完善的設計體系,提高建筑結構設計效果。

1 建筑結構優化設計方法概述

所謂建筑結構優化設計的方法,具體指的是設計人員在系統考慮施工便利的基礎上,融入美學、藝術學內容,并考慮房屋功能、建設目的等內容的結構設計方法。

設計人員在進行結構設計時,需要選擇外形比較美觀與安全的相關方案模型[1],進而提高建筑工程質量水平,以此逐漸達到提高建筑安全性、美觀性并控制建設成本的目的。設計人員在開展建筑結構設計的相關工作時,應優選建筑結構優化設計方式,其具體內容,如圖1所示。

圖1 建筑結構優化方案模式

建筑結構優化設計方法的特點包含如下:一是該方式融合了各個學科,包含的知識面整體較廣泛;二是結構設計方法對建筑外形的美觀性提出了比較高的要求;三是根據此方法建設出來的建筑物質量安全系數比較高;四是相對節能環保,可充分滿足建筑經濟性的相關要求,逐漸達到保護環境的目的;五是設計思路比較新穎,并且結構形式也比較創新。由此可知,對比傳統的設計方式,結構設計優化方法的優勢非常顯著,因此設計人員應應積極將其應用并推廣到建筑結構設計中。

2 我國建筑工程結構設計現狀

目前,我國建筑結構優化設計取得了較好的成績,但是在部分建筑結構優化設計過程中,難免出現成本超預算、過于追求設計而忽略建筑美觀性的問題,例如部分工程項目的設計的周期比較短,而設計的任務又十分繁雜,因此部分設計人員只得將注意力集中到設計圖紙、方案預編方面,在一定程度上忽視了工程施工成本的預算。還有一部分設計人員,雖然會考慮工程成本的相關問題,但因為使用的設計方案不符合成本控制的要求,也會直接導致控制效果變差;部分設計人員比較關注設計美觀性,較忽視建筑舒適度的設計,由此不但會降低建筑應用性,甚至會對整體結構穩定性、安全性等造成顯著的不良影響。而因為施工人員大多是農民工,專業素質相對不高,在施工建設時需無法嚴謹依據規范要求進行施工,由此致使房屋建筑結構的抗震性、施工強度等較低,甚至對建筑結構部件負荷承載能力等造成不良影響,使得整體工程結構設計標準無法和規范要求保持一致。另外,結構設計方案合理與否始終都是科研人員、工程師們重點關注的內容,但因為兩個群體研究問題的出發點、研究方法與思維等的差異,導致理論研究與工程具體需求無法完全吻合,導致判斷結構設計方案是否合理的標準不統一、缺乏實操性等[2]。

3 建筑結構設計的意義

為滿足人們的生活與工作需求,建筑應具備多種功能。隨著社會經濟的不斷發展進步,人們的物質生活水平也在日漸提高,無論是民用建筑還是工業建筑都面臨著較高的建設要求,由此也對建筑工程設計提出了比較高的要求。建筑功能性主要通過建筑方案體現出來,結構方案則是決定建筑方案是否可行的根本條件,兩者之間的關系是相互制約與促進的。只有保證二者協調統一,才可設計出優秀的設計方案。設計人員在進行結構設計時,需綜合考量氣候環境、地質條件等,利用科學的結構體系、構件布置等,逐步達到建筑想要表達的最終效果。而結構設計優化則是在建筑與結構互相成就的基礎上,獲得更多的可能性,實現建筑與結構的整體統一和優化(見圖2)。

圖2 某外墻結構優化設計

目前,民用建筑與工業建筑結構的類型主要包括鋼混結構、混凝土結構、鋼結構、砌體結構等。建筑行業在不斷發展進步,建筑設計企業的整體競爭力也日漸增強,為盡可能在激烈化的市場競爭中形成發展優勢,相關單位要積極推動建筑結構的優化設計,以此不斷提高建筑物的新意,并且保證其性價比的合理性,由此實現建筑行業的良性發展。在目前建筑行業的轉型發展環節中,實現建筑結構的優化是非常關鍵途徑之一,有利于提高工程質量,達到建筑行業高質量發展建設目標。工程質量是結構設計的重要基礎條件,為逐步實現建筑行業的優化改革發展,需要設計人員在改善設計方法的基礎上,創建堅實的建筑行業發展基礎。

4 結構優化設計在建筑工程設計中的應用措施

4.1 優化結構設計方案

4.1.1 結構整體布局的優化

建筑形體需求與功能布置為結構整體布局設定了宏觀層面的需求,但這無法限制結構整體布局多樣性,相同的建筑方案可適用于各種結構方案。但要有效發揮結構整體布局靈活性,需從點到線,再到面,從各個角度形成對建筑方案內在邏輯的深層次理解,之后有的放矢選擇合理的結構承重體系、抗側力體系等,合理設置結構的特殊承載部位,逐步實現整個結構與局部構件在承載中的統一。

4.1.2 優化結構材料的選用

結構的材料性質將會直接影響構件的強度、剛度、穩定性等,因此在選擇材料之時,需基于構件受力性質決定。常規受力水平的構件,需使用對應標號的混凝土、對應強度的鋼材。單體建筑結構體量日漸增加,建筑的耐候要求也在不斷提高,因此其對構件承載能力、抵抗變形的能力、抵抗外界侵蝕能力的要求也更高,隨之出現了高強混凝土、超高性能混凝土、超高強度鋼材等各種力學性能、物理性能優異的結構材料。因此在進行結構設計時,設計人員需系統考慮構件的設計力學性能需求,對應位置要使用相對應的材料,發揮材料作用,以此提高材料的整體利用率。

4.2 制定科學的成本控制計劃

房屋建筑工程結構較復雜化,并且參與工程的企業數量也比較多,結構設計包含各個企業的效益,基于此,設計人員需就宏觀角度切入,對各個細節及要點進行合理控制,將可能對工程進度、費用控制等產生的影響降到最低。建筑工程開展結構優化設計環節時,需依據建筑地形的具體狀況,選出最優化的建筑形式,以此達到充分控制結構施工埋深、截面尺寸等的目的,以此降低結構建造可能需要投入的費用[3]。

4.3 提高結構布局與審美層次

在對建筑工程進行優化設計時,設計人員需基于房屋建筑的具體狀況,對建筑結構中的不足之處客觀分析,之后合理優化設計方向,提高建筑結構在設計方案中的性能,將外力影響降到最低。對建筑結構安全性產生影響的外力因素主要是地震,基于此,在開展結構優化設計的相關工作時,設計人員需將抗震性能作為設計的主要切入點,將提高結構抗震性能作為主要目的,以此形成更科學與專業的抗震設計方案。

4.4 安全性優化方面

對建筑結構設計而言,安全性是其中需重點考慮的特點之一,其對之后的施工活動、房屋建筑使用等十分必要。若是不重視安全性的保障,則會導致整體房屋建筑結構缺乏安全性,甚至可能產生各種無法預料的損失。對一個建筑來說,其中可能包含各種構件,并且構件相互之間也有一定的聯系與支撐。構件本身若是具有高度牢固性,則有能力抵御外界環境帶來的影響,令建筑結構延展性得到保證,實現對外力的轉移與疏散,令建筑結構更加安全。

建筑對抗震性能的要求整體而言比較高,若是無法滿足抗震的相關要求,一旦出現地震就可能導致嚴重的人員傷亡與財產損失。因此可知,在開展建筑結構設計工作時,設計人員應設計科學的建筑結構設計方案,促使建筑有足夠的抗震能力。對建筑結構而言,各個構建承載力標準不一,在實際的結構設計方面,需進行合理的分析,依據建筑荷載變化的具體情況進行調整[4]。基于建筑的性能與特點,就安全性角度進行深入分析,讓建筑結構更加合理與安全。

5 建筑結構優化設計注意事項

5.1 前期設計階段

所有工程項目在進入設計、施工的環節后,相關設計單位需積極做好各項準備工作,建筑結構優化設計也不例外。正式推行建筑設計作業之前,設計單位應做好各項準備工作,對建筑工程中的各種因素進行及時整合,令其滲透到結構設計中去,在充分實現建筑結構優化設計能效強化的基礎上,逐漸發展形成建筑結構設計的較強控制力,這對后續施工作業的順利開展比較方便,有助控制施工成本。不僅如此,設計人員還需形成較科學與合理的建筑結構設計方案,充分展現規劃要點的前提下,展現建筑結構設計的優化要點。另一方面,設計人員應重新設計結構設計中出現的不足之處,盡可能規避建筑工程結構設計中的各種潛在風險問題,促使建筑結構設計更加有效。

5.2 內部建筑結構優化為側重點

建筑結構的設計環節中,設計人員須把建筑結構設計看做整體,重視關注外部結構設計的同時,深入研究內部結構設計工作,以此為基礎條件開展設計作業,令其逐漸落實到具體的設計工作中,客觀衡量各個施工項目適用標準,保證整體協調性的前提下,推動各施工項目達標。例如,設計現澆板時,設計人員應嚴格分析澆板具體受力指標,并且對各個要素進行客觀衡量,逐步設計整體優化水準的同時,保證施工效率,降低出現質量缺陷等問題的概率。

5.3 充分優化結構細部

設計人員應將建筑主體設計設定在重點范疇,重視關注結構基本構建,持續提高設計精細化程度。例如,在建筑施工環節中,矩形現澆板塊設計發揮出了重要作用,設計人員應在設計過程中持續豐富考量內容,促使設計更加全面的同時,避免出現裂縫問題。隨著社會信息化技術應用范圍的不斷拓寬,計算機在各個行業與領域發揮出了重要作用,設計人員需充分銜接計算機技術、設計理念,在不斷解決優化設計中的各種問題的基礎上,推動工程問題轉向數學問題。同時,設計人員要積極迎合時代發展步伐,不斷優化自我,培養鍛煉自己的計算機技術水平,以此才可掌握更多的優化設計方法[5]。

6 結語

綜上所述,建筑工程和人們的工作、生活存在非常緊密的聯系,設計人員應不斷提高建筑的設計質量,逐步提高建筑結構設計水平,在有效控制建筑施工成本的同時,實現建筑整體結構設計優化。