結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)及其在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

【摘要】在建筑工程中，建筑結(jié)構(gòu)的造價(jià)占據(jù)著最大的比例，而對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行的優(yōu)化技術(shù)則能夠?yàn)檎麄€建筑工程提供一定的經(jīng)濟(jì)效益。廣大的建筑設(shè)計(jì)部門和單位，通過對建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，多采用現(xiàn)代化的科學(xué)技術(shù)手段，在保證建筑質(zhì)量的前提下，實(shí)現(xiàn)降低建筑工程成本的目的，能夠節(jié)約造價(jià)，并提升建筑的經(jīng)濟(jì)效益。

【關(guān)鍵詞】結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；優(yōu)化技術(shù)；房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；應(yīng)用

引言

在眾多的建筑工程中，成本造價(jià)都是必須要重視的一個問題，而在整個造價(jià)中，建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)占據(jù)著較大的部分花費(fèi)，而如果通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化技術(shù)，就能夠?qū)⑦@一問題解決，減少造價(jià)的壓力。因此，在建筑工程中，建設(shè)的設(shè)計(jì)單位在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時候，在滿足建筑需求的前提下，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，對整個建筑工程非常有利。

1.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)

1.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)的原則

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化要求我們從工程的設(shè)計(jì)和價(jià)值角度去思考方案。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化是追求最合理地利用材料的性能，使各構(gòu)件或各設(shè)計(jì)專業(yè)得到最好的協(xié)調(diào)。它不僅具備了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案所要求的規(guī)范以及規(guī)范所要求的安全度，而且也具備了現(xiàn)今價(jià)值學(xué)和審美學(xué)的成分。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化是對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行深化、調(diào)整、改善與提高，也就是對結(jié)構(gòu)進(jìn)行高質(zhì)量再加工的過程。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化不是以犧牲結(jié)構(gòu)安全度與抗震性能為代價(jià)，而是經(jīng)過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的過程，使建筑功能更協(xié)調(diào)，成本更低，結(jié)構(gòu)更安全。

1.2實(shí)施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)所遵循的要點(diǎn)

1.2.1科學(xué)地遵循結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作要求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師們不僅要具備豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，也要對結(jié)構(gòu)規(guī)范的條文熟知，即在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求下，將自身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案貫穿于項(xiàng)目設(shè)計(jì)中。規(guī)范更多的是針對量大面廣的工程，因而某些條文的規(guī)定會偏于保守；此外，用于一些特殊、復(fù)雜工程的設(shè)計(jì)時，有些條文則不夠安全。所以，結(jié)構(gòu)工程師在設(shè)計(jì)中應(yīng)運(yùn)用良好的專業(yè)知識與正確的判斷力把握設(shè)計(jì)，做到設(shè)計(jì)成果不斷優(yōu)化與創(chuàng)新。

1.2.2結(jié)構(gòu)工程師前期參與和主動參與的重要性

強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)工程前期參與和主動參與是實(shí)施結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的重中之重。在實(shí)際施工期間，建筑師很難對結(jié)構(gòu)體系的受力做到正確的分析，既建筑師的結(jié)構(gòu)思想不能完全替代結(jié)構(gòu)工程師的設(shè)計(jì)理念、經(jīng)驗(yàn)和判斷，也無法彌補(bǔ)結(jié)構(gòu)與建筑專業(yè)技術(shù)共識的空白與隔閡。既具有扎實(shí)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論功底，又具有豐富工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)工程師，積極主動地參與前期方案設(shè)計(jì)，幫助建筑師構(gòu)思與創(chuàng)新，才能創(chuàng)作出優(yōu)秀的設(shè)計(jì)作品，更好使整個建筑的功能得到徹底的體現(xiàn)。

1.2.3加強(qiáng)各專業(yè)之間的協(xié)調(diào)與合作

結(jié)構(gòu)優(yōu)化是一個系統(tǒng)的工作，需其它專業(yè)的協(xié)調(diào)與配合。從建筑學(xué)發(fā)展角度分析，現(xiàn)代建筑是建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備三大要素構(gòu)成的綜合產(chǎn)品，所以在實(shí)施中要強(qiáng)化分工與合作，強(qiáng)化專業(yè)之間的協(xié)調(diào)與合作，這樣才能創(chuàng)作出各構(gòu)成要素有機(jī)結(jié)合的完美作品。在整個項(xiàng)目開展中，建筑設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是整個設(shè)計(jì)過程中最重要的兩個環(huán)節(jié)，二者的結(jié)合不僅能夠達(dá)到實(shí)用美觀大方的效果，而且可以使結(jié)構(gòu)受力更趨于合理進(jìn)而降低成本和簡化施工。在建筑設(shè)計(jì)中，許多建筑設(shè)計(jì)人員只強(qiáng)調(diào)方案創(chuàng)作的新奇，不遵循建筑的基本力學(xué)規(guī)律，這樣的方案往往會造成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)困難。還有一些建筑師在設(shè)計(jì)過程中往往忽視力學(xué)的基本規(guī)律，如將抗震設(shè)防區(qū)的高層建筑電梯或樓梯偏置在建筑一側(cè)，使得剛度中心與質(zhì)量中心之間的偏心距過大，在水平荷載作用下產(chǎn)生大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。從以上的例子可以分析出，加強(qiáng)專業(yè)的合作與協(xié)調(diào)是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)合理、成本降低的重要途徑。

2.民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與經(jīng)濟(jì)性的關(guān)系

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與用地的關(guān)系 在多層或者高層住宅建筑中，各層建筑面積的總數(shù)就是整個工程的建筑總面積，因此，建設(shè)的樓房層數(shù)越多，單位面積上分?jǐn)偟姆课菝娣e就少。但是，同時建筑的層數(shù)增加對建筑房屋之間的樓間距是有影響的，并不是層數(shù)越多，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益就越大。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與造價(jià)的關(guān)系 建筑的層數(shù)和單位建筑的面積造價(jià)是有直接的關(guān)系的，但是在影響的程度上是各有不同的。例如在樓頂?shù)牟糠郑驗(yàn)椴还芙ㄔ於嗌賹拥臉牵际侵挥幸粋€樓頂，因此，樓頂?shù)慕ㄖ靸r(jià)并不是因?yàn)閷訑?shù)的增加而增加造價(jià)，而是隨著層數(shù)的增加樓頂單位面積的造價(jià)是下降的。但是在基礎(chǔ)的部分，各層是共用的，樓層越高，對于基礎(chǔ)部分的承載要求也越高，這就需要增加造價(jià)，以達(dá)到整體建筑的承載要求。另外，在承重部分，和基礎(chǔ)部分一樣，隨著樓層數(shù)的增加，對于承重的要求也提升，造價(jià)也會增加。

2.3 高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與經(jīng)濟(jì)性的關(guān)系 住宅樓的樓層數(shù)和住宅樓的造價(jià)也是有直接的關(guān)系的，樓層數(shù)越多，整個工程的墻面面積以及支撐結(jié)構(gòu)的要求也越高，這就會增加基礎(chǔ)和承載結(jié)構(gòu)的造價(jià)，同樣建筑內(nèi)部的水電結(jié)構(gòu)管線也會增加，這些都是提升造價(jià)的地方。降低住宅樓的層數(shù)，不僅能夠減少建筑的成本，以及建筑附屬設(shè)施的成本，還可以節(jié)約土地，因?yàn)闃菍拥停照蘸茫瑯情g距會適當(dāng)?shù)目s小，單位土地面積上的利用率也會增加。

建筑的平面形狀對于建筑的成本也有一定的影響。在建筑面積相同的情況下，建筑的平面形狀在接近方形或者圓形的情況下，整個建筑的造價(jià)會降低。但是在設(shè)計(jì)的時候，需要考慮到建筑的使用方便，因此通常我們的單體建筑平面形狀都是設(shè)計(jì)成矩形，不僅降低了成本，還適合人體的視覺感官以及滿足了使用要求。

3.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的基本應(yīng)用

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的應(yīng)用具體體現(xiàn)在房屋工程結(jié)構(gòu)總體的優(yōu)化設(shè)計(jì)和房屋工程分部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)兩方面。其中房屋工程分部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)包括：基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)、屋蓋系統(tǒng)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)細(xì)部設(shè)計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。對以上幾個方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)還包括選型、布置、受力分析、造價(jià)分析等內(nèi)容，并應(yīng)在滿足設(shè)計(jì)規(guī)范和使用的前提下，結(jié)合具體工程的實(shí)際要求，來實(shí)現(xiàn)規(guī)范要求和經(jīng)濟(jì)要求的最大化。

3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)與建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)合

一般建筑物的設(shè)計(jì)方式總是從結(jié)構(gòu)布置開始，確定了結(jié)構(gòu)布置后根據(jù)不同的荷載情況來分析過程中的參數(shù)、材料等要求，然而這些數(shù)據(jù)的分析往往是計(jì)算機(jī)不能達(dá)到的，需要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員對整個方案進(jìn)行充分的例證，才能做出判斷。而這些判斷只能在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般規(guī)律指導(dǎo)下，根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，這便是結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)。因此，結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)是開展施工的必要前提。

3.2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化處理的建筑抗震缺陷問題

結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)不僅能在降低成本、簡化施工方面得到體現(xiàn)，而且在建筑物的抗震方面也是頗有作為的。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠使建筑物在各種不期而遇的外部作用下不受破壞，或?qū)⑵茐某潭冉抵磷畹汀Ｒ虼耍治鼋ㄖ锟赡茉馐艿母鞣N不確定因素成為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。實(shí)際中，地震破壞最為難以預(yù)測，且破壞性最大。所以，建筑設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該未雨綢繆，從計(jì)算及構(gòu)造等各個方面都要采取一些有助于提高抗震能力的措施。例如：剛度均勻、對稱是減小地震對建筑物產(chǎn)生不利影響的重要手段；延性設(shè)計(jì)則能有效地防止結(jié)構(gòu)在地震作用下發(fā)生的脆性破壞；多道設(shè)防思想能使建筑物在特大地震作用下次要的構(gòu)建先破壞，從而使整個建筑物得到局部的緩沖。這些抗震設(shè)防思想在整個設(shè)計(jì)過程中都應(yīng)該作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要指導(dǎo)理念。

4.結(jié)束語

結(jié)構(gòu)優(yōu)化是系統(tǒng)工程，要求結(jié)構(gòu)工程師與其他工種的設(shè)計(jì)人員密切配合，通過正確地使用結(jié)構(gòu)分析軟件、選擇最佳結(jié)構(gòu)體系、充分挖掘基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的內(nèi)在潛力，運(yùn)用科學(xué)的方法與手段，讓結(jié)構(gòu)優(yōu)化貫穿設(shè)計(jì)的全過程，充分體現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的價(jià)值，使建筑功能更為合理甚至得到提升，使結(jié)構(gòu)安全度和抗震性能提高，減少和避免設(shè)計(jì)差錯，降低工程建設(shè)造價(jià)，縮短建設(shè)工期。

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