淺析現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

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

【關鍵詞】 結(jié)構(gòu)設計；結(jié)構(gòu)計算；材料選用；《規(guī)范》運用；精品意識

一、引言

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

二、選擇合理的結(jié)構(gòu)方案

結(jié)構(gòu)設計方案的優(yōu)劣決定了結(jié)構(gòu)設計的成敗。對于同一個建筑設計方案，結(jié)構(gòu)設計方案往往不是唯一的。不同的結(jié)構(gòu)方案會使工程造價和工程質(zhì)量產(chǎn)生很大的差別，所以選擇合理的結(jié)構(gòu)方案便顯得尤為重要。在結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)總體方案的構(gòu)思，處理好構(gòu)件與結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)的關系，充分利用和發(fā)揮整體結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的最佳受力狀態(tài)，使結(jié)構(gòu)具備足夠的承載力、剛度和良好的延性；

（2）盡可能使結(jié)構(gòu)的受力與傳力途徑簡單、直接、明確。傳力途徑復雜會出現(xiàn)多次轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，這樣會導致造價的提高，也容易出現(xiàn)計算錯誤產(chǎn)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(jié)構(gòu)構(gòu)件，減少結(jié)構(gòu)的安全風險，使結(jié)構(gòu)受力更加明確，其造價也相對經(jīng)濟；

（3）保持整個結(jié)構(gòu)安全可靠度的協(xié)調(diào)一致性。應通盤考慮整體結(jié)構(gòu)的每一個構(gòu)件，使結(jié)構(gòu)構(gòu)件能夠協(xié)調(diào)一致發(fā)揮其最大效能，確保達到規(guī)范規(guī)定的設計目標水準，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)既經(jīng)濟又安全的目標；

（4）使結(jié)構(gòu)平面布置的抗側(cè)力剛度中心與建筑物的外力作用中心或質(zhì)量重心盡量接近或重合，以避免或減小外力作用下結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應，因為抵抗結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)所需增加的材料用量是很大的，可以說結(jié)構(gòu)平面布置的不規(guī)則既不經(jīng)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(xié)調(diào)。一個設計精品是建筑師和結(jié)構(gòu)工程師創(chuàng)造性合作的共同成果，在滿足建筑物的功能和建筑師創(chuàng)意的前提下，結(jié)構(gòu)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(gòu)思最佳的結(jié)構(gòu)體系。

結(jié)構(gòu)工程師只有加強結(jié)構(gòu)概念的培養(yǎng)，才能比較客觀、真實地理解結(jié)構(gòu)的工作性能。并綜合運用其掌握的結(jié)構(gòu)概念，通過反復試算、反饋和優(yōu)化，選擇效果最好、造價最低的結(jié)構(gòu)方案。

三、進行正確的結(jié)構(gòu)計算

一體化計算機結(jié)構(gòu)設計程序的不斷完善和全面應用，使結(jié)構(gòu)工程師從繁重復雜的結(jié)構(gòu)計算中解脫出來。工程師可以在概念、經(jīng)驗和估算的基礎上借助計算機進行可靠的分析計算，經(jīng)過多次計算比較和調(diào)整，使結(jié)構(gòu)設計更加合理和經(jīng)濟。在利用計算機結(jié)構(gòu)設計程序進行結(jié)構(gòu)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(xiàn)象時有發(fā)生，所以對用于結(jié)構(gòu)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(guī)范的結(jié)合一定要搞清楚；

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

（3）對計算參數(shù)的選取要正確合理。選取不同的計算參數(shù)會得出完全不同的計算結(jié)果，要根據(jù)實際結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的計算自振周期折減系數(shù)的取值，要根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)形式以及填充墻的材料和數(shù)量，選取恰當?shù)臄?shù)值對計算周期進行折減，若折減系數(shù)選取偏大，會使計算地震力小于實際的地震力，造成結(jié)構(gòu)分析偏于不安全，反之則不經(jīng)濟；

（4）注意實際結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)又是千差萬別的，一味地依賴電腦或計算手冊的計算結(jié)果進行結(jié)構(gòu)設計會給結(jié)構(gòu)留下較多的隱患，所以任何構(gòu)件的計算都應根據(jù)實際情況確定結(jié)構(gòu)的約束關系，并利用結(jié)構(gòu)概念、工程經(jīng)驗對計算結(jié)果進行分析，判斷其是否合理，以確保最終結(jié)構(gòu)設計的正確。

4 提高材料的利用率

對于建筑的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層和受力復雜的結(jié)點部位以及大跨度結(jié)構(gòu)，可采用型鋼混凝土和預應力混凝土或鋼結(jié)構(gòu)等，以達到適用、安全、經(jīng)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(jīng)常出現(xiàn)的鋼筋混凝土現(xiàn)澆板中混凝土標號過高的現(xiàn)象，不僅高標號的混凝土不能充分發(fā)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(guī)范》

作為一個結(jié)構(gòu)工程師，一方面必須熟悉、理解和吃透規(guī)范條文的真實含義，另一方面必須客觀理性地正確對待規(guī)范。對《規(guī)范》中的“強制性條文”要不折不扣的執(zhí)行，而對《規(guī)范》中的“非強制性條文”工程師可以運用自己的理論知識、結(jié)構(gòu)概念和實踐經(jīng)驗，在《規(guī)范》條文思想的指導下，針對具體的設計對象、環(huán)境和使用條件，以工程的安全性和經(jīng)濟性為目標，創(chuàng)造性地靈活選用規(guī)范中的數(shù)據(jù)。盲目照搬硬套不但會限制創(chuàng)新成果、影響設計創(chuàng)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(guī)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(guī)范》中的構(gòu)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(jié)構(gòu)計算分析結(jié)果，不同程度地存在忽視結(jié)構(gòu)構(gòu)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(xiàn)象，我們對地震發(fā)生時建筑物的破壞機理還不十分清楚，對地震的破壞現(xiàn)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(jié)的基礎上，通過概念設計、結(jié)構(gòu)計算和構(gòu)造措施三部分來實現(xiàn)的。所以，我們在進行建筑抗震設計時，不但要遵循《規(guī)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(gòu)造措施。

6 樹立精品意識

對結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的過程是結(jié)構(gòu)工程師打造設計精品的過程。要求結(jié)構(gòu)工程師不僅要具備深厚扎實的專業(yè)基本理論基礎、豐富的實際工作經(jīng)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(zhàn)略、走精品之路。改變以往在管理上重業(yè)務經(jīng)營輕技術質(zhì)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(zhì)量問題，方案的好壞、造價的高低無關緊要，使優(yōu)化設計失去內(nèi)在動力。導致對設計方案不認真進行經(jīng)濟分析，而是為保險起見，隨意加大安全系數(shù)，造成投資浪費。只有在單位內(nèi)部管理上把設計質(zhì)量同個人效益掛鉤，才能提高設計人員的質(zhì)量意識和經(jīng)濟觀念，促使結(jié)構(gòu)專業(yè)經(jīng)濟化。

預算專業(yè)可以提前介入到結(jié)構(gòu)設計的方案階段，為結(jié)構(gòu)工程師提供必要的經(jīng)濟分析數(shù)據(jù)，改變以前設計過程中不算帳，設計完了預算見分曉的現(xiàn)象，通過結(jié)構(gòu)工程師與造價工程師對設計質(zhì)量和經(jīng)濟指標進行全過程的控制，實現(xiàn)設計產(chǎn)品技術質(zhì)量與經(jīng)濟的統(tǒng)一。要落實各級技術崗位責任制，通過各環(huán)節(jié)層層把關，把提高設計質(zhì)量、創(chuàng)設計精品的工作貫穿于整個設計過程之中。

7 結(jié)語

建筑結(jié)構(gòu)設計的首要任務是滿足建筑功能的需求，實現(xiàn)建筑物適用、安全、美觀、經(jīng)濟的目標。結(jié)構(gòu)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(jīng)濟效益是十分可觀的。實現(xiàn)安全與經(jīng)濟的最佳結(jié)合，也是衡量一個結(jié)構(gòu)設計人員專業(yè)水平和能力的主要標準。結(jié)構(gòu)工程師要將優(yōu)化設計貫穿于結(jié)構(gòu)設計的整個過程，精益求精的完成每一項設計工作，創(chuàng)作出既保證結(jié)構(gòu)達到《規(guī)范》要求的同時，還能最大限度地實現(xiàn)建筑師的創(chuàng)作思想和令業(yè)主滿意的產(chǎn)品，從而真正達到優(yōu)化設計的效果。