房屋結構設計中的建筑結構設計優化

唐洪良 曹夢婷

摘要：房屋結構設計的好壞與房屋整體功能是否能發揮密切相關，對房屋結構設計的優化亦是為最大程度完成居民對房屋功能和審美兩方面的需要。此外，房屋設計者通過結構的優化使給定的空間資源獲得最佳利用，同時又不會因為對空間的注重而失去美觀以及對居民隱私的保護，還能節約建筑成本，給施工方帶來更多利益的同時也減少了購房者的負擔。

關鍵詞：房屋建筑；結構設計；優化

引言：房屋結構設計中建筑結構設計的優化就是利用最少的造價和有限的資源、空間，實現房屋安全、適用、經濟、美觀的綜合最優化。在房屋建筑結構設計過程中，對建筑結構進行設計優化的主要目的就在于在保證房屋內部基本結構優化協調的同時，還能夠保證房屋工程結構的“安全性、經濟性、適用性和美觀性”，能夠在一定程度上降低工程造價。房屋工程的施工質量直接關系到了我國人民的生命財產安全，因此，對房屋結構要更加重視，并根據工程的實際情況進行優化，而隨著科學技術的發展，房屋結構設計的優化技術也在不斷進步。

一、建筑結構設計優化的方法及意義

1.1建筑結構設計優化的方法

建筑結構設計優化的方法分為對房屋的分部結構設計的優化方法和對房屋總體結構設計的優化方法[2]。房屋結構設計中建筑結構設計的優化一般包含以下幾個方面的內容：對房屋基礎結構的設計進行優化；對房屋頂部結構的設計進行優化；對房屋的護圍支撐結構進行優化以及對房屋總體設計結構及細節部分進行優化；最重要的是在房屋設計要求及設計規范內，在滿足房屋功能及技術要求的前提下，合理降低工程造價，即對房屋的造價進行最優化設計。

1.2 建筑結構設計優化的意義

建筑結構設計優化的意義在于可以最大程度地充分利用資源與空間，高效利用材料與設備，使房屋結構功能合理、協調，安全可靠。實現房屋結構設計的“安全性、適用性、經濟性、美觀性”的最優化設計。

二、房屋建筑結構設計優化技術

2.1 房屋建筑整體結構的選擇

房屋建筑的項目投入與其自身的結構類型息息相關，普通房屋建筑工程的結構類型大致可以劃分為以下幾種：

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

（2）框架類型，該種優化方式在布局的靈活性以及造價的低廉性等方面具有很大優勢，但是免不了存在一些缺陷，其柱結構自身的截面大，在面對地震侵襲的時候抗震能力相對比較低；

（3）混合結構類型，這種混合結構類型可以視為上述兩種優化方式的綜合體，充分吸收了兩者的優勢，并且適當的規避了不必要的缺陷，這種方式在日常的工程建設當中被廣泛使用，自身的應用性比較強，而且結構布置等方面相對合理，更重要的是該種結構所具備很強的抗震和抗側力的能力。

2.2節能結構設計的優化

節能結構設計的優化是需要以綠色建筑理念為基礎，并積極應用設計學中的方法。首先，優化布局和表面形狀。布局就是指建筑的主要朝向，受到我國氣候條件的影響，為了保證房屋的陽光照射量的通風良好，房屋的朝向盡量要朝南。表面形狀的優化就是要保證所設計的房屋建筑外表面積不要接受冷風的直接朝向，這樣就能夠減少熱能的消耗，起到節能效果。其次，維護結構設計。維護結構主要指的就是門窗和屋頂，對于門窗而言，在房屋朝南的方向所設置的門窗要盡量要大和多，這樣能夠最大限度吸收陽光輻射，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。屋頂的設計可以采用架空的方式或者是鋪設循環水管，夏天降溫冬天保暖。

2.3結構設計信息優化技術

由于房屋建筑結構受到設計變量等條件的約束，很難用單一的結構優化方法。因此應開發一種更為實用方便的參數定義優化軟件，減少設計者在結構優化方面的精力和時間。我較為推崇的是 TBCAD 系統，這種系統是針對結構方案設計、建模、分析、評估等為一體的成本控制軟件系統，該可以進行結構方案的指導設計，使得方案的人力、物力和財力資源等趨于最優狀態。系統的信息分為兩個時間段進行優化，第一個時間段是通過對材料的分配調整，使用最少的混凝土用量滿足側向剛度的要求，系統在這個時間段的目標函數是混凝土的使用量，而結構構件的斷面大小則是設計的變量。第二個時間段是對構件強度的優化，通過對構件結構的斷面大小以及鋼用量的調整，使得構件的強度要求實現只需較少的結構造價。

2.4對建筑主體上部結構進行的科學性優化

房屋建筑的上部結構設計應當建立相應的模型并進行系統的優化。整個過程最先一步就應當合理地設置剪力墻，保證剪力墻整體的質量是均勻的，這樣能將樓層中平面剛度的中心點重合于樓層整體的結構重心，從而減少地震或者風力等對其的破壞性。在房屋建設時，如果條件允許，要盡可能地對剪力墻進行大開間的構造，加長剪力墻的墻肢長度，這樣就能減少墻肢的數量，還能在符合標準的基礎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的鋼筋使用數量，減少相應的成本。

三、結構設計優化的現實意義

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。

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。

結語

隨著我國人口的不斷增長，一寸土地一寸金的情況在我國也一直持續著。土地價格的飛漲要求建設單位更加嚴格的控制建設成本，這也導致建筑行業的競爭越來越激烈，而優化房屋的結構設計是建設單位實現低投入高回報的有效途徑之一。 綜上所述，對于防護結構設計的建筑結構優化并不是從單一方向即可完成的，需要從多個方面入手系統的完成，同時也會涉及到安全性、合理性和節能性等多方面問題。在條件允許的情況下，應盡可能做到對信息化輔助設備的合理利用，降低房屋的施工成本，從而使優化目標能夠得到更好的實現。需要注意的一點是，在實際的施工過程當中，設計人員的優化方案應針對不同建筑需求、地理地貌進行差異性選擇，切忌出現生搬硬套以往做法的行為，以保證優化方案的科學性與可行性。

參考文獻：

[1] 王福全，楊永江，李忠偉.剪力墻結構設計在建筑結構設計中的應用[J].中國科技博覽，2013（38）：162.

[2] 趙紅林，叢麗娟，李雁敏，等.外墻外保溫技術在建筑設計中的應用[J].中國科技博覽，2013（38）：481-482.