有關(guān)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

李戰(zhàn)平

（重慶市設(shè)計(jì)院 重慶 渝中 400015）

有關(guān)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

李戰(zhàn)平

（重慶市設(shè)計(jì)院 重慶 渝中 400015）

隨著科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，社會經(jīng)濟(jì)快速增長，人們生活水平逐漸提高，建筑工程業(yè)也得到了快速的發(fā)展。建筑作為人們賴以生存的載體，建筑物的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與人們生活的舒適度息息相關(guān)。建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅可以控制建筑投資成本，還可以實(shí)現(xiàn)使用者的設(shè)計(jì)要求。所以，建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在當(dāng)前的市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展下具有一定的可行性，為改善人們的生活環(huán)境提供重要基礎(chǔ)。

建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；分析

引言

目前，在對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，往往是在建筑施工、設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的完善，并沒有形成單獨(dú)的設(shè)計(jì)體系。建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)作為實(shí)現(xiàn)建筑本體功能的關(guān)鍵手段，而且建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)直接關(guān)系到整個(gè)建筑在消防、抗風(fēng)以及防震等方面的設(shè)計(jì)是否合理，是否能夠保障整個(gè)高層建筑結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量和安全性。

1　建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)涵及基本要求

1.1建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)涵

在現(xiàn)代的建筑施工中建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在建筑工程的決策階段、設(shè)計(jì)階段和建設(shè)階段。①在決策階段要明確進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的，并在實(shí)現(xiàn)本體結(jié)構(gòu)功能的基礎(chǔ)上進(jìn)一步保障建筑結(jié)構(gòu)的安全性，降低建筑施工資本投入。②在設(shè)計(jì)階段，要明確和完善建筑整體結(jié)構(gòu)以及每個(gè)子系統(tǒng)的優(yōu)化布局設(shè)計(jì)。③在建設(shè)階段，將建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)作為建設(shè)施工的主要指導(dǎo)原則，組織并建設(shè)建筑結(jié)構(gòu)的每個(gè)環(huán)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整體優(yōu)化。這三個(gè)階段互為補(bǔ)充、缺一不可，在建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中起著重要的作用（具體優(yōu)化流程如圖1）。

圖1　建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖

1.2建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本要求

（1）功能性。建筑物作為人類賴以生存的基礎(chǔ)物質(zhì)環(huán)境，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系著人們對建筑環(huán)境的感受。隨著時(shí)代的發(fā)展和人們生活質(zhì)量的提升，人們對建筑結(jié)構(gòu)的功能性需求也不僅限于傳統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用功能，而是包含了建筑結(jié)構(gòu)美觀、舒適以及建筑物的協(xié)調(diào)性等多方面的因素，進(jìn)而滿足人們對建筑物質(zhì)環(huán)境的要求。

（2）安全性。建筑物是人們進(jìn)行生活以及生產(chǎn)活動(dòng)的主要場所，因此建筑物的安全性是建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素之一。如果一味追求建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，而忽略了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工等各方面的安全性，對建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化有害無益，給人們的正常生活、生產(chǎn)活動(dòng)造成巨大的潛在危害。

（3）經(jīng)濟(jì)性。隨著我國改革開放引來，市場經(jīng)濟(jì)快速的增長，由于市場經(jīng)濟(jì)對資源配置的要求和引導(dǎo)，使經(jīng)濟(jì)性成為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須要考慮的重要因素。經(jīng)濟(jì)性主要是指通過建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，對建筑材料、工具等進(jìn)行科學(xué)合理的資源配置，減少建設(shè)成本的浪費(fèi)，進(jìn)而控制建設(shè)過程投入。

（4）環(huán)保性。環(huán)保性是繼經(jīng)濟(jì)性之后對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有益要求，一般是指通過建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)選擇較為環(huán)保的建筑材料、建筑布局等，從而體現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的環(huán)保建筑發(fā)展觀念。①在建筑材料的選擇上，以建筑工程的功能性和安全性為基礎(chǔ)，選擇合適的節(jié)能環(huán)保型材料；②在建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的整體布局中，要重視建筑物在將來的使用中對周圍環(huán)境造成的影響，一方面強(qiáng)調(diào)建筑物各子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一與環(huán)保性，另一方面要有效地處治建設(shè)過程中的廢舊材料及建筑垃圾，減少對環(huán)境的污染。

2　建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的問題

2.1抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題

抗震結(jié)構(gòu)一方面是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最重要的環(huán)節(jié)，另一方面也是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中較復(fù)雜的一個(gè)環(huán)節(jié)，它需要綜合考慮到建筑結(jié)構(gòu)、建筑材料選擇以及墻體承重等抗震規(guī)范設(shè)計(jì)要求。但是由于我國不是地震高發(fā)地段，所以設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)建筑時(shí)，往往忽略這一點(diǎn)，對建筑的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并不是很嚴(yán)謹(jǐn)，而且我國在對抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)也比較低，這種在政策上的忽略抗震結(jié)構(gòu)導(dǎo)致設(shè)計(jì)師在計(jì)算建筑抗抗震數(shù)據(jù)時(shí)缺乏對數(shù)據(jù)的敏感性，進(jìn)而建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺乏靈活性和安全性。

2.2樓層平面剛度問題

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，樓層平面剛度問題是最常見的問題，在設(shè)計(jì)基本的機(jī)構(gòu)觀念或者是結(jié)構(gòu)布置上缺乏必要的措施，雖然對對程序采用了樓板變形的計(jì)算公式，但是編程在數(shù)學(xué)力學(xué)模型上的成立不代表在實(shí)際設(shè)計(jì)上能夠準(zhǔn)確無誤，這是由于不可抗力等因素的偏差導(dǎo)致計(jì)算的誤差性，從而導(dǎo)致建筑的不安因素增多，所以，設(shè)計(jì)師需通過計(jì)算機(jī)中對結(jié)構(gòu)真實(shí)受力狀況進(jìn)行分析，從而確保不會出現(xiàn)根本性的誤差，因此設(shè)計(jì)師需對結(jié)構(gòu)概念要求很強(qiáng)，同時(shí)也要對樓層平面剛度的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行限制。

2.3剪力墻裂縫問題

剪力墻結(jié)構(gòu)一般多見于沿街的旅館、住宅、辦公樓等空間房屋，由于這類建筑是解決底層需要一種比較經(jīng)濟(jì)的空間房屋的結(jié)構(gòu)形式，然而部分設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)往往為了追求單一的建筑立面造型來增加使用面積，將二樓以上樓層部分的橫墻移至懸挑梁上，使得實(shí)際結(jié)構(gòu)的底層挑梁承載普遍出現(xiàn)裂縫。同時(shí)在施工過程中，許多施工隊(duì)伍為了趕工作進(jìn)度，工程的質(zhì)量很難受到保障，而且在使用混凝土進(jìn)行泵送時(shí)，增加水泥用量，減少中粗骨的含量，水泥的用量和中粗骨與骨料的配比都會影響結(jié)構(gòu)的收縮量，又加上由于混凝土強(qiáng)度的提高，使彈性模量增加將引起更大的約束拉應(yīng)力產(chǎn)生，使得混凝土用量大的剪力墻產(chǎn)生裂縫的因素在增大（具體如圖2所示）。

圖2　某工程剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)前后對比圖

3　優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的策略

3.1選擇合理的結(jié)構(gòu)方案

建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案是進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)施工的第一步工序，一個(gè)好的設(shè)計(jì)決定了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量。往往對于同一個(gè)建筑設(shè)計(jì)方案，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案并不是唯一的，不同的結(jié)構(gòu)方案會使得工程造價(jià)和工程質(zhì)量產(chǎn)生很大的不同，所以選擇一個(gè)合理的結(jié)構(gòu)方案尤為重要。在對結(jié)構(gòu)方案的選擇上一定要嚴(yán)格的按照基本原則來選擇，通過對建筑整體概念的了解對建筑空間中的結(jié)構(gòu)總體方案來進(jìn)行思考，并且結(jié)構(gòu)方案中要體現(xiàn)出構(gòu)件與結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，需要確保整體結(jié)構(gòu)和構(gòu)件處于最佳受力狀態(tài)，保證結(jié)構(gòu)的承載力最大化。同時(shí)，結(jié)構(gòu)方案中需要對平面和立面進(jìn)行合理的布置，保證結(jié)構(gòu)的剛度、結(jié)構(gòu)中心和幾何設(shè)計(jì)到一點(diǎn)上，減小位移比，避免在外力作用下結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效益，也可以降低建筑造價(jià)成本，提高建筑物經(jīng)濟(jì)效益。另外，為了保證建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的可行性，設(shè)計(jì)師需要與建筑人員、施工人員進(jìn)行有效的溝通和合作，共同制定建筑建構(gòu)優(yōu)化方案，保障建筑結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化性和安全性。

3.2抗震結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

對建筑抗震結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，需要通過專業(yè)的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員針對建筑特點(diǎn)以及地方的地震發(fā)生狀況進(jìn)行分析，以滿足建筑物抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范為基礎(chǔ)對建筑物的抗震結(jié)構(gòu)進(jìn)行嚴(yán)格設(shè)計(jì)。所以，在進(jìn)行建筑物抗震結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的時(shí)候：①需要對結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的材料合理嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪x用，眾所周知，鋼筋混凝土材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，梁柱是主要的受力載體，在工程建設(shè)中，采用高標(biāo)號的鋼筋混凝土可以減少梁柱等構(gòu)件的橫截面，減輕結(jié)構(gòu)本體的重量，促進(jìn)建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力的提升，比如在對剪力墻的抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)該充分考慮到剪力墻的抗震要求，設(shè)置單獨(dú)的承重墻和承重柱，合理的匹配鋼筋混凝土與混凝土的投放比例，最大限度的發(fā)揮鋼筋混凝土的材料特性，保證剪力墻的抗震能力。同時(shí)還需要結(jié)合建筑材料的品種、質(zhì)量、價(jià)格以及對周圍環(huán)境的適應(yīng)程度來保證建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力、安全性最大化；②在處理一道截面較長的抗震墻方面，設(shè)計(jì)師應(yīng)該充分利用其洞口設(shè)置成弱連梁，使每個(gè)墻段的高寬比不宜小于2，盡量將墻體分成單肢墻、多肢墻或者是小開口墻，從而提高抗震墻的變形能力，保證建筑的安全可靠；③要加強(qiáng)我國建筑構(gòu)造規(guī)定的安全度以及抗震計(jì)算方法，通過對梁柱承載力匹配程度、軸壓比以及配筋率等抗震延性方面進(jìn)行嚴(yán)格規(guī)定，從制度上進(jìn)行改變和規(guī)制。

3.3靈活運(yùn)用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范

在設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)時(shí)，所有的設(shè)計(jì)的最低標(biāo)準(zhǔn)都不能低于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，因?yàn)橐?guī)范的制定已經(jīng)是國家根據(jù)眾多技術(shù)經(jīng)濟(jì)、科技水平和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，所以設(shè)計(jì)人員需要全面理解規(guī)范條文，正確靈活的運(yùn)用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范。例如：在規(guī)范中對剪力墻設(shè)計(jì)的要求是剪力墻需要上下貫通，剪力墻的布置位置最好是在結(jié)構(gòu)的外圍，因?yàn)檫@樣可以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗扭作用，從而讓建筑結(jié)構(gòu)的剛度有連貫性且變化情況穩(wěn)定，但是作為一個(gè)優(yōu)秀的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師，應(yīng)該靈活運(yùn)用這個(gè)要求，不僅要考慮規(guī)范的要求，還需要考慮溫度對樓層的影響，從而控制剪力墻的間距，防止剪力墻裂縫增大而增加建筑結(jié)構(gòu)的不安因素。又例如規(guī)范中規(guī)定可以通過增加暗柱、端柱等邊緣構(gòu)件來減少結(jié)構(gòu)的剛度，但是如果在實(shí)踐過程中，樓層的面積和剪力墻的總面積之間比值較大，而且房屋的高度較低、樓座的面積夠大時(shí)，墻底部的暗柱面積以及配筋量可以不用按照規(guī)范中要求的設(shè)置這么多，這些都是需要設(shè)計(jì)師對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的理解和靈活運(yùn)用。

4　結(jié)束語

綜上所述，房屋的安全性和耐久性也是現(xiàn)在比較的關(guān)注，在建筑材料的選擇上，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)種類上，都應(yīng)該考慮到抗地震、抗強(qiáng)風(fēng)以及在使用過程中的房屋損耗所帶來的維修的可能性，這都表明結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要性，而且結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是降低工程造價(jià)的有效途徑。通過對現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，不僅可以有效的降低建筑工程的成本，還能滿足社會民眾對建筑的基本要求。

[1]吳松松.有關(guān)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)的分析[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2015（4）：23～24.

[2]李濤.有關(guān)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)的分析[J].城市建筑，2014（21）：59.

[3]余金鳳.有關(guān)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)的分析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2013（2）：61.

[4]杜廣，陳彬.有關(guān)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化措施探討[J].建材與裝飾，2012（9）：111～112.

TU318

A

1673-0038（2015）36-0015-02

2015-8-18

李戰(zhàn)平（1980-），男，工程師，碩士，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。