建筑結構概念設計的優化措施分析

邢貴龍

（浙江省超維建筑設計院，浙江 杭州 311100）

一、引言：隨著社會經濟的發展，人們對于建筑結構設計也提出了更高的要求。特別是近年來，隨著先進的計算理論迅速發展，計算機的應用得到了普遍的加強，而各種新型輕質、高強、環保的建筑材料也得到了深入的研究和廣泛的應用，使得建筑結構設計已不僅僅局限于安全可行，適用、美觀、可靠、經濟等因素在建筑結構設計中的重要性正在迅速提高。因此，推廣概念設計的優化、打破以往的墨守成規、充分發揮創新能力，已成為建筑結構設計的當務之急。

建筑結構設計的最終目的,就是為了尋求一個最令人滿意的設計方案，而其最開始的概念設計往往是最困難的。因為概念設計與之后的詳細設計不同，它具有典型的不確定性。正因為如此,許多設計人員為了圖省事，在概念設計階段往往只是通過調查幾個甚至兩個設計方案，從中選擇最優方案。這種片面的概念設計方法，其結果不言而喻，最終必然會導致成本的增加,造成不必要的浪費。因此，關注業主的經濟利益、滿足建筑結構的功能要求、達成業主的其他重要需求，是一個優秀的設計人員最起碼的目標，而其中的重中之重，就是建筑結構概念設計的優化。

二、建筑結構概念設計的特點：建筑結構概念設計與精確規范的理論設計不同，它是一種帶有經驗總結性、非規范性的設計。概念設計不需要通過計算機或其他計算工具來進行嚴密精確的數據運算,而是以地震參數、試驗結果、結構體系中的整體或個體之間的力學聯系、結構的破壞機理、以及工程經驗等為依據的一種概念性的設計思想和設計原則,它主要是對建筑結構進行總體規劃布置和宏觀調控。

建筑結構概念設計,絕非毫無邏輯性的混亂主義,而是當精確規范的理論設計不能正確解決建筑結構過程中出現的問題時,采取的一種補充的手段和思路，它是建筑結構設計過程中的重要組成部分。由于現行的結構設計理論和計算理論還存在許多缺陷甚至不可計算性，因此要求設計人員必須要有優秀的概念設計素養，才能彌補現行理論的缺陷，從而滿足建筑結構設計的要求。另外，過度的精密運算結果往往并不能正確反應建筑結構的實際狀態,由于理論設計的習慣性、機械性，有時極容易進入誤區，從而導致隱患和錯誤的產生,而擁有人性化思維方式的概念設計，由于通過了對現實環境的飽滿性探討,在建筑結構設計初期起著無可取代的作用。同時，由于計算機的計算結果具有高精度的特點，往往會使設計人員對結構的工作性能產生誤解，設計人員只有積極培養概念設計的能力，才能更加真實、客觀地理解結構的工作性能。

綜合運用掌握的結構概念，深刻了解各類結構的性能，想方設法地找尋并選擇造價最低、效果最好的建筑結構設計方案，正是建筑結構概念設計優化的核心靈魂所在。

三、建筑結構概念設計的優化措施

1、優化設計目標：每項建筑結構的設計都受到了多項客觀目標的影響,而且通常這些目標之間具有一定的矛盾性,若要提高某項目標的要求，往往以降低其他目標的要求為代價。而建筑結構概念設計的優化，首當其沖就要考慮一種最為合理的方案，使這些相互矛盾的客觀目標之間達到一定的平衡。

要實現各項目標的平衡,需要考慮大量的因素,一般而言，最具代表性的就是要達到初始總投資、年運行成本和收入這三個目標的平衡。即通過概念設計的優化，盡可能地保證初始總投資和年運行成本的最小化，同時保證收入的最大化。其中，初始總投資的影響因素很多，包括土地成本、建筑結構及裝飾成本、水電暖通成本、智能系統成本、消防系統成本等等，但歸根到底，就是取決于建筑總面積和單位面積造價；年運行成本是對建筑結構和設備進行清掃、維護、管理等的費用；而收入則是建筑投入使用的所得費用，包括出售、出租及投入生產所得盈利等等。

通常在合理的范圍內，往往初始總投資越大，相應也會增加年運行成本，但同時收入也會得到提高。因此建筑結構概念設計的優化，就是要在業主能夠承受的初始總投資和年運行成本的范圍內，實現收入的最大化，當然其中還要考慮投入產出比等細節問題，總之保證設計成果的利益最大化。

2、優化設計約束

建筑結構概念設計同樣還受到建筑物的可靠性、功能性、舒適性等多重限制的約束。如何在滿足這些約束的同時，盡量降低成本、提高產出，也是建筑結構概念設計優化的一項重要內容。

建筑結構的設計約束一般可分為條件約束、規范約束和隱性約束三類。其中，條件約束又包含現實因素和業主要求兩方面的內容。現實因素包括了土地大小、周邊環境、政府有關部門的總體規劃等等；業主要求則內容廣泛，可以是建筑物的尺寸、高度，也可以是建筑的造價，還可以是建筑的局部功能（比如要求有地下室）等等。規范約束則是相關規范規程的強制性指標，它包括了建筑物的最大長寬比、最大高寬比、混凝土強度、防水抗滲等級、消防要求、人防要求等等。無論是條件約束還是規范約束，都應是建筑結構概念設計中必須滿足的要求，而隱性約束則是設計人員對概念設計進行優化的重點。

簡單的說，隱性約束就是要求設計人員對于建筑結構的概念要有深入的把握，它是一種虛幻性的約束，往往容易被忽視，但其實它才是設計約束中對概念設計進行優化的關鍵所在。比如將建筑物中陽光少、地勢差的區域用作衛生間而將陽光充足、地勢好的區域用作辦公室，在同樣大小的土地上選擇更舒適合理的戶型等等行為，都是建筑結構概念設計的優化措施。

3、優化結構體系和計算簡圖

建筑結構體系的設計是建筑結構概念設計中的一項重要內容，設計人員通過結構體系的建立將整個建筑的構成清晰完整地呈現出來。建筑結構體系是一個統一的、不可分割的整體,而不是各個部件個性體現之后的組合，各個部件只有組合在一起時才真正具備了建筑結構價值。因此，在規劃結構體系時,應當著重全盤、整體的考慮，切不可對單一的部件進行分別設計然后再進行組合，否則將喪失其特定的內涵。

建筑結構概念設計在選擇計算簡圖時，應當盡量選用有結構構造措施的計算簡圖。因為計算簡圖是建筑結構概念設計計算的重要組成部分,在一定程度上決定了結構計算的準確性和可靠性。因此，對計算簡圖的選擇應當慎之又慎，同理，對于計算簡圖的優化，也是優化建筑結構概念設計的重要措施。

4、虛擬現實技術的應用

虛擬現實技術，就是在虛擬現實的環境中，由設計人員利用工程知識庫、組件庫、數據庫等來建立建筑結構的三維虛擬模型。它具有一項具有較強立體感、真實感和現場感的仿真系統。在建筑結構概念設計中應用虛擬現實技術，可以對系統中的模型重復地進行參數設計和動態分析，根據得出的不同結果進行反復比較和同步修改，從而實現對建筑結構概念設計的優化。

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