房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

唐洪良 曹夢(mèng)婷

摘要：房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞與房屋整體功能是否能發(fā)揮密切相關(guān)，對(duì)房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化亦是為最大程度完成居民對(duì)房屋功能和審美兩方面的需要。此外，房屋設(shè)計(jì)者通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化使給定的空間資源獲得最佳利用，同時(shí)又不會(huì)因?yàn)閷?duì)空間的注重而失去美觀以及對(duì)居民隱私的保護(hù)，還能節(jié)約建筑成本，給施工方帶來更多利益的同時(shí)也減少了購(gòu)房者的負(fù)擔(dān)。

關(guān)鍵詞：房屋建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；優(yōu)化

引言：房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化就是利用最少的造價(jià)和有限的資源、空間，實(shí)現(xiàn)房屋安全、適用、經(jīng)濟(jì)、美觀的綜合最優(yōu)化。在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化的主要目的就在于在保證房屋內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)優(yōu)化協(xié)調(diào)的同時(shí)，還能夠保證房屋工程結(jié)構(gòu)的“安全性、經(jīng)濟(jì)性、適用性和美觀性”，能夠在一定程度上降低工程造價(jià)。房屋工程的施工質(zhì)量直接關(guān)系到了我國(guó)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，因此，對(duì)房屋結(jié)構(gòu)要更加重視，并根據(jù)工程的實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)化，而隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化技術(shù)也在不斷進(jìn)步。

一、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法及意義

1.1建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法分為對(duì)房屋的分部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法和對(duì)房屋總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法[2]。房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化一般包含以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：對(duì)房屋基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化；對(duì)房屋頂部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化；對(duì)房屋的護(hù)圍支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化以及對(duì)房屋總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及細(xì)節(jié)部分進(jìn)行優(yōu)化；最重要的是在房屋設(shè)計(jì)要求及設(shè)計(jì)規(guī)范內(nèi)，在滿足房屋功能及技術(shù)要求的前提下，合理降低工程造價(jià)，即對(duì)房屋的造價(jià)進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.2 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的意義

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的意義在于可以最大程度地充分利用資源與空間，高效利用材料與設(shè)備，使房屋結(jié)構(gòu)功能合理、協(xié)調(diào)，安全可靠。實(shí)現(xiàn)房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的“安全性、適用性、經(jīng)濟(jì)性、美觀性”的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

二、房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)

2.1 房屋建筑整體結(jié)構(gòu)的選擇

房屋建筑的項(xiàng)目投入與其自身的結(jié)構(gòu)類型息息相關(guān)，普通房屋建筑工程的結(jié)構(gòu)類型大致可以劃分為以下幾種：

（1）抗風(fēng)墻類型，該種建筑方式在高層建筑當(dāng)中被廣泛使用，以混凝土的使用為基礎(chǔ)，這種優(yōu)化方式具有非常顯著的特點(diǎn)，自身抗震能力很強(qiáng)，而且鋼筋等材料使用數(shù)量明顯降低；

（2）框架類型，該種優(yōu)化方式在布局的靈活性以及造價(jià)的低廉性等方面具有很大優(yōu)勢(shì)，但是免不了存在一些缺陷，其柱結(jié)構(gòu)自身的截面大，在面對(duì)地震侵襲的時(shí)候抗震能力相對(duì)比較低；

（3）混合結(jié)構(gòu)類型，這種混合結(jié)構(gòu)類型可以視為上述兩種優(yōu)化方式的綜合體，充分吸收了兩者的優(yōu)勢(shì)，并且適當(dāng)?shù)囊?guī)避了不必要的缺陷，這種方式在日常的工程建設(shè)當(dāng)中被廣泛使用，自身的應(yīng)用性比較強(qiáng)，而且結(jié)構(gòu)布置等方面相對(duì)合理，更重要的是該種結(jié)構(gòu)所具備很強(qiáng)的抗震和抗側(cè)力的能力。

2.2節(jié)能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化

節(jié)能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化是需要以綠色建筑理念為基礎(chǔ)，并積極應(yīng)用設(shè)計(jì)學(xué)中的方法。首先，優(yōu)化布局和表面形狀。布局就是指建筑的主要朝向，受到我國(guó)氣候條件的影響，為了保證房屋的陽(yáng)光照射量的通風(fēng)良好，房屋的朝向盡量要朝南。表面形狀的優(yōu)化就是要保證所設(shè)計(jì)的房屋建筑外表面積不要接受冷風(fēng)的直接朝向，這樣就能夠減少熱能的消耗，起到節(jié)能效果。其次，維護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。維護(hù)結(jié)構(gòu)主要指的就是門窗和屋頂，對(duì)于門窗而言，在房屋朝南的方向所設(shè)置的門窗要盡量要大和多，這樣能夠最大限度吸收陽(yáng)光輻射，朝向北的就要減少門窗，防止熱量的流失，材料也要選擇保溫效果好的。屋頂?shù)脑O(shè)計(jì)可以采用架空的方式或者是鋪設(shè)循環(huán)水管，夏天降溫冬天保暖。

2.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)信息優(yōu)化技術(shù)

由于房屋建筑結(jié)構(gòu)受到設(shè)計(jì)變量等條件的約束，很難用單一的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。因此應(yīng)開發(fā)一種更為實(shí)用方便的參數(shù)定義優(yōu)化軟件，減少設(shè)計(jì)者在結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面的精力和時(shí)間。我較為推崇的是 TBCAD 系統(tǒng)，這種系統(tǒng)是針對(duì)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)、建模、分析、評(píng)估等為一體的成本控制軟件系統(tǒng)，該可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案的指導(dǎo)設(shè)計(jì)，使得方案的人力、物力和財(cái)力資源等趨于最優(yōu)狀態(tài)。系統(tǒng)的信息分為兩個(gè)時(shí)間段進(jìn)行優(yōu)化，第一個(gè)時(shí)間段是通過對(duì)材料的分配調(diào)整，使用最少的混凝土用量滿足側(cè)向剛度的要求，系統(tǒng)在這個(gè)時(shí)間段的目標(biāo)函數(shù)是混凝土的使用量，而結(jié)構(gòu)構(gòu)件的斷面大小則是設(shè)計(jì)的變量。第二個(gè)時(shí)間段是對(duì)構(gòu)件強(qiáng)度的優(yōu)化，通過對(duì)構(gòu)件結(jié)構(gòu)的斷面大小以及鋼用量的調(diào)整，使得構(gòu)件的強(qiáng)度要求實(shí)現(xiàn)只需較少的結(jié)構(gòu)造價(jià)。

2.4對(duì)建筑主體上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行的科學(xué)性優(yōu)化

房屋建筑的上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)建立相應(yīng)的模型并進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化。整個(gè)過程最先一步就應(yīng)當(dāng)合理地設(shè)置剪力墻，保證剪力墻整體的質(zhì)量是均勻的，這樣能將樓層中平面剛度的中心點(diǎn)重合于樓層整體的結(jié)構(gòu)重心，從而減少地震或者風(fēng)力等對(duì)其的破壞性。在房屋建設(shè)時(shí)，如果條件允許，要盡可能地對(duì)剪力墻進(jìn)行大開間的構(gòu)造，加長(zhǎng)剪力墻的墻肢長(zhǎng)度，這樣就能減少墻肢的數(shù)量，還能在符合標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上減少混凝土的使用。另外，剪力墻里的暗柱是拿一般性鋼材鑄造而成，如果采用較大的剪力墻就可以減少相對(duì)的鋼筋使用數(shù)量，減少相應(yīng)的成本。

三、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的現(xiàn)實(shí)意義

進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，多層住宅和高層住宅相比較，層數(shù)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(jié)約了用地成本，但建筑層數(shù)的增多，建筑總高度也會(huì)加大，樓與樓之間的間距也要加大，這時(shí)占用的土地節(jié)約量就不與建筑層數(shù)增加比例相同了。另如屋蓋部分，一棟樓只有一個(gè)屋蓋，并不會(huì)因?yàn)閷訑?shù)的增加而有所改變，它的成本下降會(huì)比較明顯。對(duì)于基礎(chǔ)部分而言，雖然也是各層共用的，但是層數(shù)增加，傳給基礎(chǔ)的荷載將會(huì)增大，我們需要增大基礎(chǔ)，這樣單位面積的造價(jià)有所降低，但是卻沒有屋蓋的效果那樣明顯。

建筑的層高增加，由于墻體面積和柱體積增加，結(jié)構(gòu)的自重會(huì)增加，基礎(chǔ)和柱的承載力相應(yīng)增加，水衛(wèi)和電氣的管線會(huì)加長(zhǎng)；相反降低層高，可節(jié)省材料，有利用抗震，同時(shí)建筑的總高度減小，兩建筑之間的日照距離就會(huì)減小，間接的節(jié)約了用地。建筑面積相同，建筑使用不同的平面形狀時(shí)，它的外墻周長(zhǎng)也就會(huì)不同，這樣當(dāng)選擇圓形或是越接近于方形時(shí)，外墻周長(zhǎng)系數(shù)就越小，基礎(chǔ)、外墻砌體、內(nèi)外表面裝修都隨之減少，同時(shí)其受力性能也得到提高，增強(qiáng)了建筑的經(jīng)濟(jì)性能。

結(jié)語

隨著我國(guó)人口的不斷增長(zhǎng)，一寸土地一寸金的情況在我國(guó)也一直持續(xù)著。土地價(jià)格的飛漲要求建設(shè)單位更加嚴(yán)格的控制建設(shè)成本，這也導(dǎo)致建筑行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈，而優(yōu)化房屋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是建設(shè)單位實(shí)現(xiàn)低投入高回報(bào)的有效途徑之一。 綜上所述，對(duì)于防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化并不是從單一方向即可完成的，需要從多個(gè)方面入手系統(tǒng)的完成，同時(shí)也會(huì)涉及到安全性、合理性和節(jié)能性等多方面問題。在條件允許的情況下，應(yīng)盡可能做到對(duì)信息化輔助設(shè)備的合理利用，降低房屋的施工成本，從而使優(yōu)化目標(biāo)能夠得到更好的實(shí)現(xiàn)。需要注意的一點(diǎn)是，在實(shí)際的施工過程當(dāng)中，設(shè)計(jì)人員的優(yōu)化方案應(yīng)針對(duì)不同建筑需求、地理地貌進(jìn)行差異性選擇，切忌出現(xiàn)生搬硬套以往做法的行為，以保證優(yōu)化方案的科學(xué)性與可行性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王福全，楊永江，李忠偉.剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].中國(guó)科技博覽，2013（38）：162.

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