論結構設計優化在房屋結構設計中的應用

李文瑞

摘 要：建筑結構的造價在建筑工程中占有較大的比例，結構設計優化技術的應用可以產生可觀的經濟效益。建筑設計部門和設計人員應嚴格遵守“經濟、適用、合理”的設計原則，精心設計，應用現代化科技手段，選擇合理的建筑結構設計方案，實現降低建筑工程造價并取得最大經濟效益的目的。

關鍵詞：結構設計；建筑結構；優化技術

Abstract： The cost of building structures in construction accounts for a large proportion， structural design optimization technology can generate considerable economic benefits. Architectural design department and design staff should strictly abide by "economic， applicable and reasonable" design principle， well-designed， the application of modern scientific and technological means， choose a reasonable structural design， to achieve lower construction cost and achieve maximum economic efficiency.

Keywords： structural design； building structure； optimization techniques

近年來，不斷上漲的土地價格給開發商的建筑總成本控制帶來了極大的壓力，同時，人們對于居住條件及生活環境的要求不斷提高，相應建筑產品的品質要求也就不斷提高，這就讓開發商不斷尋求新的手段滿足顧客需求，而降低工程造價就成為開發商追求的直接目標，這就需要我們利用結構設計優化設計技術方法，提高有限空間、有限資源的最大化效果發揮，實現經濟化、實用性和適用性的良好目標。

1.建筑結構設計優化方法的應用及實踐價值

1.1 結構設計優化方法的應用

結構設計優化方法和技術的應用具體體現在房屋工程結構總體的優化設計和房屋工程分部結構的優化設計兩方面。其中房屋工程分部結構的優化設計包括：基礎結構方案的優化設計、屋蓋系統方案的優化設計、圍護結構方案的優化設計和結構細部設計的優化設計。對以上幾個方面的優化設計還包含選型、布置、受力分析、造價分析等內容，并應在滿足設計規范和使用要求的前提下，結合具體工程的實際情況，圍繞其綜合經濟效益的目標進行結構優化設計。

1.2結構設計優化的實踐價值

（1）結構優化設計降低總造價

進行結構優化設計中，多層住宅和高層住宅相比較，層數越多，總建筑面積增大，單位建筑面積占用的土地面積就越小，節約了用地成本，但建筑層數的增多，建筑總高度也會加大，樓與樓之間的間距也要加大，這時占用的土地節約量就不與建筑層數增加比例相同了。另如屋蓋部分，一棟樓只有一個屋蓋，并不會因為層數的增加而有所改變，它的成本下降會比較明顯。對于基礎部分而言，雖然也是各層共用的，但是層數增加，傳給基礎的荷載將會增大，我們需要增大基礎，這樣單位面積的造價有所降低，但是卻沒有屋蓋的效果那樣明顯。

（2）進行結構設計優化提高建筑結構經濟性

建筑的層高增加，由于墻體面積和柱體積增加，結構的自重會增加，基礎和柱的承載力相應增加，水衛和電氣的管線會加長；相反降低層高，可節省材料，有利用抗震，同時建筑的總高度減小，兩建筑之間的日照距離就會減小，間接的節約了用地。建筑面積相同，建筑使用不同的平面形狀時，它的外墻周長也就會不同，這樣當選擇圓形或是越接近于方形時，外墻周長系數就越小，基礎、外墻砌體、內外表面裝修都隨之減少，同時其受力性能也得到提高，增強了建筑的經濟性能。

與傳統的結構設計相比，采用結構設計優化方法可以使建筑工程造價降低6%-34%。優化方法的技術性實現，可以最合理的利用材料性能，使建筑結構內部各單元得到最好的協調，不僅可以實現建筑美觀、實用，而且在造價方面也有較大的節省，達到了建筑工程設計對適用、安全、經濟、美觀和便于施工的一般要求。通過使用優化設計手段，達到這5個方面的最佳結合，符合現今建筑商對于建筑結構的效益的需求，也符合市場可持續發展的需求。

2.民用建筑結構設計與經濟性的關系

2.1結構設計與用地的關系

多層或高層住宅建筑中，總建筑面積是各層建筑面積的總和，層數越多，單位建筑面積所分攤的房屋占地面積就越少。但隨著建筑層數的增加，房屋的總高度也增加，房屋之間的間距也必須增大。因此，用地的節約量并不隨建筑層數的增加而按同一比例遞增。

2.2 結構設計與造價的關系

建筑層數對單位建筑面積造價有直接影響，但影響程度對各分部結構卻是不同的。屋蓋部分，不管層數多少，都共用一個屋蓋，并不因層數增加而使屋蓋的投資增加。因此，屋蓋部分的單位面積造價隨層數增加而明顯下降。基礎部分，各層共用基礎，隨著層數增加，基礎結構的荷載加大，必須加大基礎的承載力，雖然基礎部分的單位面積造價隨層數增加而有所降低，但不如屋蓋那樣顯著。承重結構，如墻、柱、梁等，隨層數增加而要增強承載能力和抗震能力，這些分部結構的單位建筑造價將有所提高。

2.3高層住宅結構設計與經濟性的關系

住宅的層高直接影響住宅的造價，因為層高增加，墻體面積和柱體積增加，并增加結構的自重，會增加基礎和柱的承載力，并使水衛和電氣的管線加長。降低層高，可節省材料、節約能源，有利于抗震，節省造價。同時，除降低層高可以減少住宅建筑總高度，縮小建筑之間的日照距離，所以降低層高能也取得節約用地的效果。

在相同建筑面積時，住宅建筑平面形狀不同，住宅的外墻周長系數也不相同。顯然平面形狀越接近方形或圓形，外墻周長系數越小，外墻砌體、基礎、內外表面裝修等也隨之減少，并且受力性能好，造價會降低。考慮到住宅的使用功能和方便性，通常單體住宅建筑的平面形狀多為矩形。

3.結構設計優化技術在建筑結構設計中的應用

3.1 直覺優化（概念設計優化）技術與建筑結構設計

對于同一建筑方案，可以有許多不同的結構布置設計；確定了結構布置的建筑物，即使在同種荷載情況下也存在不同的分析方法；分析過程中設計參數、材料、荷載的取值也不是惟一的：建筑物細部的處理更是不盡相同，這些問題是計算機無法完全解決的，都需要設計人員自己作出判斷。而判斷只能在結構設計的一般規律指導下，根據工程實踐經驗進行，這便是前面所說的概念設計。因此，概念設計存在于設計師對多種備選方案進行選擇的過程中。

3.2 概念設計處理的實際建筑設計問題

概念設計所要處理的問題多種多樣。但可以肯定的是希望通過概念設計，建筑結構能在各種不期而遇的外部作用下不受破壞，或將破壞程度降至最低。因此，分析如何應付建筑物可能遭遇的各種不確定因素成為概念設計的重要內容。其中，地震作用最為難以琢磨，破壞性也最大。故而，建筑設計過程中就應該未雨綢繆，從計算及構造等各個方面都要采取一些有助于提高抗震能力的措施，不利于抗震的作法則應盡量避免。剛度均勻、對稱是減小地震在結構中產生不利影響的重要手段；延性設計則能有效地防止結構在地震作用下發生脆性破壞；多道設防思想能使建筑在特大地震作用下次要的構件先破壞，消耗一部分地震能量。這些抗震設防思想在整個設計過程中都應該作為概念設計的重要指導思想。

結構設計優化設計應用于項目的整體設計、前期設計，舊房改造，抗震設計等設計的各分部環節，發揮著巨大的效益。在按照結構設計優化的方法進行實踐的過程中，要注意下面的幾個問題：

（1）結構設計優化應注意前期參與

因為前期方案的確定直接影響建筑的總投資，而現在存在的普遍問題就是前期方案階段結構設計并不進行參與，建筑師進行建筑設計時大多并不考慮結構的合理性以及它的可行性，但是建筑設計的結果卻直接對結構設計造成影響，某些方案可能會增加結構設計的難度，并使得建筑的總投資提高。如果在方案的初期，結構優化設計就能參與進來，那么我們就能針對不同的建筑類別，選擇合理的結構形式，合理的設計方案，獲得一個良好的開端。

（2）概念設計結合細部結構設計優化

概念設計應用于沒有具體數值量化的情況，例如地震設防烈度，因為它的不確定性，計算式難免與現實有較大的差異，在進行設計的時候就要采用概念設計的方法，把數值作為輔助和參考的依據。設計過程中需要設計人員靈活的運用結構設計優化的方法，達到最佳的效果。

與宏觀把握相對應的，設計的過程同時要注意對于細部的結構設計優化，比如現澆板中的異形板拐角處易出現裂縫，可劃分為矩形板。注意鋼筋的選擇，I級鋼和冷軋帶肋鋼市場價格差不多，但是他們的極限抗拉力卻相差很大，所以在塑性滿足要求的情況下，現澆板的受力鋼筋就可選擇冷軋帶肋鋼筋。在做里面設計的時候，外立面上的懸挑板及配筋，滿足基本的規范要求即可，達到既安全又經濟的目的。

（3）下部地基基礎結構設計優化

地基基礎的結構設計優化首先要選擇合適的方案，如果為樁基礎，那么要根據現場地質條件選擇樁基類型，盡量節省造價。樁端持力層對灌注樁樁長的選擇影響很大，應多進行比較以確定最合適的方案。

4.結語

建筑是凝固的藝術，建筑師總是希望通過建筑物表達自己的設計意圖，力求藝術性和實用性的完美結合。結構師在保證安全性的前提下，當然應該敢于挑戰新的結構形式，使建筑師的意圖得以實現。在建筑結構設計的過程中，在基本滿足建筑師設計意圖的基礎上，平面布置應盡量規則，對稱，盡量縮小質量中心和剛度中心的差異；使建筑物在水平荷載作用下不致產生太大的扭轉效應。豎向布置上，在滿足功能要求的前提下，盡量使豎向承重構件上下貫通；能不使用轉換層的就應避免使用，以減小結構分析和設計上的困難，另外也不經濟，還容易造成應力集中；豎向剛度最好不要突變，而要漸變，否則突變處在水平荷載作用下會出現嚴重的應力集中現象，這對結構抵抗水平動力荷載是十分不利的。

參考文獻

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