淺析現代建筑結構優化設計

【摘 要】 本文探討了在建筑結構設計工作中，分析了選擇合理的結構方案時應遵循的一些基本原則，探討了在進行正確的結構計算時應注意的一些問題，并從材料選用、《規范》運用以及設計者精品意識培養等方面對建筑結構設計進行了綜合的論述。

【關鍵詞】 結構設計；結構計算；材料選用；《規范》運用；精品意識

一、引言

在建筑結構設計中，當建筑方案產生后，結構從選型和布置開始就存在優化與否的問題，再加上后續每一道工序的精心設計、準確計算、合理選用等全過程的優化設計才能產生優化的結構。下面就結構設計優化的一些途徑，談一下本人的一點看法，以期與廣大結構設計人員共勉。

二、選擇合理的結構方案

結構設計方案的優劣決定了結構設計的成敗。對于同一個建筑設計方案，結構設計方案往往不是唯一的。不同的結構方案會使工程造價和工程質量產生很大的差別，所以選擇合理的結構方案便顯得尤為重要。在結構方案的選擇上，應遵循以下的一些基本原則：

（1）要用整體的概念在特定的建筑空間中來完成結構總體方案的構思，處理好構件與結構、結構與結構的關系，充分利用和發揮整體結構和構件的最佳受力狀態，使結構具備足夠的承載力、剛度和良好的延性；

（2）盡可能使結構的受力與傳力途徑簡單、直接、明確。傳力途徑復雜會出現多次轉換的結構構件，這樣會導致造價的提高，也容易出現計算錯誤產生安全問題。采用最簡單、直接的傳力途徑，可以省去中間傳遞的結構構件，減少結構的安全風險，使結構受力更加明確，其造價也相對經濟；

（3）保持整個結構安全可靠度的協調一致性。應通盤考慮整體結構的每一個構件，使結構構件能夠協調一致發揮其最大效能，確保達到規范規定的設計目標水準，實現結構既經濟又安全的目標；

（4）使結構平面布置的抗側力剛度中心與建筑物的外力作用中心或質量重心盡量接近或重合，以避免或減小外力作用下結構的扭轉效應，因為抵抗結構的扭轉所需增加的材料用量是很大的，可以說結構平面布置的不規則既不經濟又不安全；

（5）積極主動的參與建筑設計的方案階段，加強與建筑師的溝通與協調。一個設計精品是建筑師和結構工程師創造性合作的共同成果，在滿足建筑物的功能和建筑師創意的前提下，結構工程師有責任對建筑方案提出建設性的意見，與建筑師一起構思最佳的結構體系。

結構工程師只有加強結構概念的培養，才能比較客觀、真實地理解結構的工作性能。并綜合運用其掌握的結構概念，通過反復試算、反饋和優化，選擇效果最好、造價最低的結構方案。

三、進行正確的結構計算

一體化計算機結構設計程序的不斷完善和全面應用，使結構工程師從繁重復雜的結構計算中解脫出來。工程師可以在概念、經驗和估算的基礎上借助計算機進行可靠的分析計算，經過多次計算比較和調整，使結構設計更加合理和經濟。在利用計算機結構設計程序進行結構計算時，要注意以下問題：

（1）不能盲目的依賴計算機。因計算軟件的缺陷和設計人員不加分析的盲從而導致設計錯誤的現象時有發生，所以對用于結構設計的計算程序的基本理論假定、應用范圍和限制條件以及程序與規范的結合一定要搞清楚；

（2）對于輸入的幾何圖形、構件尺寸、荷載數據等應認真核對、力求準確無誤。避免因數據輸入錯誤造成計算分析結果的錯誤或較大的誤差。比如，高層建筑標準層荷載數據的輸入出現錯誤，其累加后對結構計算所產生的影響是不容忽視的，將導致計算結果要么不安全、要么不經濟；

（3）對計算參數的選取要正確合理。選取不同的計算參數會得出完全不同的計算結果，要根據實際結構的具體情況和計算程序的功能要求合理選取。比如，高層建筑結構的計算自振周期折減系數的取值，要根據不同的結構形式以及填充墻的材料和數量，選取恰當的數值對計算周期進行折減，若折減系數選取偏大，會使計算地震力小于實際的地震力，造成結構分析偏于不安全，反之則不經濟；

（4）注意實際結構與計算模型的差異。所有的計算理論和設計程序都是建立在一些假定和理想的計算模型之上的，而實際結構的受力狀態又是千差萬別的，一味地依賴電腦或計算手冊的計算結果進行結構設計會給結構留下較多的隱患，所以任何構件的計算都應根據實際情況確定結構的約束關系，并利用結構概念、工程經驗對計算結果進行分析，判斷其是否合理，以確保最終結構設計的正確。

4 提高材料的利用率

對于建筑的結構轉換層和受力復雜的結點部位以及大跨度結構，可采用型鋼混凝土和預應力混凝土或鋼結構等，以達到適用、安全、經濟的目的。實際工程中，因材料選擇不當造成浪費的情況很多。比如，經常出現的鋼筋混凝土現澆板中混凝土標號過高的現象，不僅高標號的混凝土不能充分發揮其強度作用，而且為抵抗高強混凝土較大的收縮變形和滿足最小配筋率要求，板中鋼筋的配筋量也隨之增加，從而導致工程造價的提高。

5 正確理解運用《規范》

作為一個結構工程師，一方面必須熟悉、理解和吃透規范條文的真實含義，另一方面必須客觀理性地正確對待規范。對《規范》中的“強制性條文”要不折不扣的執行，而對《規范》中的“非強制性條文”工程師可以運用自己的理論知識、結構概念和實踐經驗，在《規范》條文思想的指導下，針對具體的設計對象、環境和使用條件，以工程的安全性和經濟性為目標，創造性地靈活選用規范中的數據。盲目照搬硬套不但會限制創新成果、影響設計創作，阻礙工程技術的進步，也會造成不必要的浪費。因為即使規范再詳細，也不可能包羅實際工程中遇到的所有技術問題。對《規范》中的構造措施要給予足夠的重視。

在實際工程中，一些設計人員過分依賴結構計算分析結果，不同程度地存在忽視結構構造措施的問題。以抗震設計為例，我們都知道，地震是一種很復雜的自然現象，我們對地震發生時建筑物的破壞機理還不十分清楚，對地震的破壞現象也只是停留在感性認識階段，建筑物抗震計算的原理也只是一種近似方法。建筑抗震設計是建立在對震害分析和總結的基礎上，通過概念設計、結構計算和構造措施三部分來實現的。所以，我們在進行建筑抗震設計時，不但要遵循《規范》提出的抗震設計原則和抗震計算方法，同時還要重視抗震構造措施。

6 樹立精品意識

對結構優化設計的過程是結構工程師打造設計精品的過程。要求結構工程師不僅要具備深厚扎實的專業基本理論基礎、豐富的實際工作經驗，更要有盡心盡力、精益求精、追求完美的精品意識。設計單位要提高市場競爭能力，必須實施精品戰略、走精品之路。改變以往在管理上重業務經營輕技術質量，造成設計人不注重技術水平的提高，設計只要保證不出大的質量問題，方案的好壞、造價的高低無關緊要，使優化設計失去內在動力。導致對設計方案不認真進行經濟分析，而是為保險起見，隨意加大安全系數，造成投資浪費。只有在單位內部管理上把設計質量同個人效益掛鉤，才能提高設計人員的質量意識和經濟觀念，促使結構專業經濟化。

預算專業可以提前介入到結構設計的方案階段，為結構工程師提供必要的經濟分析數據，改變以前設計過程中不算帳，設計完了預算見分曉的現象，通過結構工程師與造價工程師對設計質量和經濟指標進行全過程的控制，實現設計產品技術質量與經濟的統一。要落實各級技術崗位責任制，通過各環節層層把關，把提高設計質量、創設計精品的工作貫穿于整個設計過程之中。

7 結語

建筑結構設計的首要任務是滿足建筑功能的需求，實現建筑物適用、安全、美觀、經濟的目標。結構造價在建筑工程中所占的比重很大，通過精心設計所帶來的經濟效益是十分可觀的。實現安全與經濟的最佳結合，也是衡量一個結構設計人員專業水平和能力的主要標準。結構工程師要將優化設計貫穿于結構設計的整個過程，精益求精的完成每一項設計工作，創作出既保證結構達到《規范》要求的同時，還能最大限度地實現建筑師的創作思想和令業主滿意的產品，從而真正達到優化設計的效果。