淺談現代建筑結構優化設計要點

王聰敏

（身份證號：130627197609172237）

淺談現代建筑結構優化設計要點

王聰敏

（身份證號：130627197609172237）

本文從現代建筑結構優化設計基本要求入手，分別從建筑結構的建筑體型、結構構件、材料和計算機新技術的應用四方面探討了現代建筑結構優化設計的措施。

建筑結構；優化設計；降低成本；結構構件；安全

1 選擇合適的傳力途徑，簡化受力，降低造價

具有規則建筑體型和平面布置的結構，因其受力較簡單，造價相對較低。但由于不同使用功能的需要，建筑的體型和平面布置是多種多樣的，可以通過對結構墻、柱的布局和墻肢長短的調節，使不規則的建筑體型和平面布置產生規則結構的效應，同樣可以使建筑結構達到經濟結構和安全使用的預定目標。

從力學觀點來說，結構的荷載傳遞路徑應力求簡單和直接。建筑結構中空間關系較復雜的部位，在設計時常會出現多次轉換的結構構件，猶如轉換層，這樣會導致造價提高，也容易發生因失穩而引起的安全問題。結構構件的傳力途徑有多種多樣，其支撐構件也可根據傳力需要按科學、合理的方案進行變換，因此，可以說沒有固定不變的結構布置，也沒有一成不變的傳力途徑。而如果設計師采用最直接、最簡單的傳力途徑，就可以省去許多中間傳遞的結構構件，從而也可減少結構的安全隱患，使結構受力更明確，材料更省，其造價自然也會更低些。

2 結構構件的優化

2.1 框架-剪力墻

目前，高層建筑的結構設計大多采用框架-剪力墻結構體系，這種體系由鋼筋混凝土框架和鋼筋混凝土剪力墻兩部分組成，框架的梁柱為剛接，框架與剪力墻可為剛接，也可為鉸接。高層建筑體日趨復雜，各種不同功能的建筑用房綜合在一起，組成形態各異的高層建筑，給建筑結構優化設計增加了一定的難度。而框架-剪力墻結構體系具有靈活組成使用空間的優點，比較容易滿足建筑物的使用要求，而且框架-剪力墻結構體系有較高的承載力，較好的延伸性和整體性，并且具備很強的吸收地震力的能力，從而大大減小了結構本身的側移。因此，在建筑結構優化設計的實踐過程中，在框架-剪力墻結構設計中，剪力墻剛度的確定除了必須滿足強度條件外，還必須使結構具有一定的側向剛度。基于此，剪力墻剛度的大小將直接影響到結構的安全性及工程造價成本。另外，在框架-剪力墻結構初步設計階段，簡捷、準確地確定框剪結構中剪力墻最優數量，即可避免重復、繁瑣的結構剛度調整計算，還可以達到減少經濟成本的目標。

2.2 梁的選用與布置

常規梁經濟性最好，但嚴重影響建筑層高，尤其是在目前土地資源有限的情況下，最終還是無法實現社會整體經濟效益的最大化；寬扁梁能減少梁的截面高度，增加建筑物的凈高。在建筑物總高度限制的情況下，可以增加層數，以獲得更多的建筑面積。但寬扁梁在經濟指標上與常規梁相比并不是最優，由于y方向截面高度減小，使得縱向鋼筋的配筋率較高，同時撓度偏大。在跨度進一步加大的情況下，也可采用預應力梁，以滿足建筑物的特殊要求，但費用較高。此外，高層建筑框架柱截面大小主要由軸壓比控制，在上部軸力一定的情況下，可以通過加大柱截面、提高混凝土設計強度、加大柱箍筋、采用鋼混凝土柱等不同方法來控制柱軸壓比，最大化程度保證功能性與安全性。

2.3 加強砌體結構的設計

為承重構件和抗側移構件的磚砌體，其平面布置較為靈活，但不適宜做躍層結構，杜絕受力較大的突兀結構形式。門窗開洞寬度不宜超過2.1m，縱向墻體數量不宜少于三道，這一措施可以適當減少構造柱的配筋。

3 材料的優化選擇

結構設計的目的便是花盡可能少的錢，做最安全、適用的建筑，這就要求結構設計時對材料的選用要合理，利用要充分。要根據結構構件的不同受力特點、工作環境和材料的力學性能特點，選用合適的建筑材料。在鋼筋混凝土結構中，以受壓為主的柱子，就要充分發揮鋼筋混凝土材料中混凝土抗壓性能好的特點，盡可能采用高標號混凝土，不但可以減小構件截面，增加使用空間，還能減輕結構自重。梁板以受彎為主，可采用高強度鋼筋，以減少鋼筋用量，同時要注意鋼筋混凝土結構中鋼筋與混凝土強度的匹配，最大限度地發揮出材料的性能。

4 加強基于計算機技術的優化設計分析

隨著計算機技術以及結構優化設計理論的結合，基于計算仿真的優化設計思路已經在工程結構設計中得到了廣泛的應用。通過利用計算機分析軟件建立優化設計的分析模型，采用高效的計算機優化計算方法，設立結構設計達到的目標要求，最終實現結構設計的優化目的。在具體的優化設計過程中，優化設計實際上已經由一個工程問題轉變為一個數學問題。在大型復雜結構的優化設計中，基于這一思想的結構優化設計方法具有其他算法無法替代的優勢。因此，工程設計人員加強基于計算機技術的優化設計分析非常必要。

5 結語

綜上，通過結構優化設計來降低工程造價是控制工程投資的一個有效途徑，近年來被越來越多的建設單位所重視。但是應明確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，因此不能片面強調節約投資，而降低技術和質量標準，應通過合理的優化結構的手段來達到經濟效益與建筑安全的完美結合。

[1]肖燕武.淺談建筑結構設計的安全度[J].科技創新導報，2007，35.

[2]李鋒.淺談現代建筑結構優化設計[J].科技資訊，2010，28.

[3]《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3-2010）[S].中國建筑工業出版社，2011.

TU318

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1673-0038（2015）33-0018-01

2015-7-25