建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的優(yōu)化策略

侯緒濤++孟艷艷

摘要：房屋建筑的安全性、適用性、美觀性始終是人們追求的。所以傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)在為了保證上述要求的前提下，通過(guò)犧牲經(jīng)濟(jì)性、結(jié)構(gòu)布置的均勻?qū)ΨQ(chēng)性、來(lái)達(dá)到目的。在現(xiàn)代化的今天，由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)住宅、辦公、醫(yī)院等建筑的使用要求有所提高，從而使建筑結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，使建設(shè)成本大大提高。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；優(yōu)化方法；房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

引言

筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是在保證業(yè)主使用功能的前提下，通過(guò)結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化、結(jié)構(gòu)計(jì)算的優(yōu)化、材料使用的優(yōu)化等手段，使投資者用最少的錢(qián)得到較為合理的、較為經(jīng)濟(jì)的建筑物。

1.結(jié)構(gòu)方案的選擇

對(duì)于任何一個(gè)建筑都有很多建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，選擇哪種設(shè)計(jì)方案是決定一個(gè)建筑是否經(jīng)濟(jì)合理的成敗因素。所以，任何一個(gè)建筑物都應(yīng)該選擇結(jié)構(gòu)體系簡(jiǎn)單，受力和傳力途徑簡(jiǎn)單明了的方案。這樣不僅計(jì)算模型建立簡(jiǎn)單，計(jì)算正確率也會(huì)比較高。

工程實(shí)例：本工程為除鹽水泵站，建筑分為兩部分：一部分為酸堿儲(chǔ)罐間，高度為5.500m；一部分為主車(chē)間高度9.600m，主車(chē)間女兒墻高0.6m，主車(chē)間還有一個(gè)地下水池深5.300m，抗震設(shè)防烈度7度，場(chǎng)地類(lèi)別2類(lèi)，圖示如下

實(shí)例分析：本設(shè)計(jì)原設(shè)計(jì)方案是，酸堿儲(chǔ)罐間磚混結(jié)構(gòu)、主車(chē)間預(yù)制排架結(jié)構(gòu)。但是由于磚混整體性及抗震性能差，墻的高厚比約束以及預(yù)制排架結(jié)構(gòu)還需要現(xiàn)場(chǎng)制作預(yù)制柱等原因，故原設(shè)計(jì)方案改為了酸堿儲(chǔ)罐間和主車(chē)間均采用框架結(jié)構(gòu)，兩者建筑之間設(shè)置伸縮縫的結(jié)構(gòu)方案。從傳力的角度分析：板傳給次梁，次梁傳給主梁，主梁傳給柱子，柱子傳給基礎(chǔ)；傳力直接簡(jiǎn)單，空間符合建筑使用要求且能使空間可變性增強(qiáng)；從結(jié)構(gòu)布置角度分析：兩個(gè)建筑分離，使建筑平面布局避免結(jié)構(gòu)的不規(guī)則布置，抗側(cè)力構(gòu)件剛度布置均勻。能滿(mǎn)足建筑的功能性及后期使用功能擴(kuò)展性有較大提高，抗側(cè)力構(gòu)件布置均勻?qū)ΨQ(chēng)，使結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性有很大提高。

2.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的步驟

對(duì)房屋結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行必要的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)候，可以分成三步進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化。下面將對(duì)每一步驟進(jìn)行詳細(xì)的介紹：

（1）建立結(jié)構(gòu)模型

建筑模型建立時(shí)，應(yīng)該在符合實(shí)際的前提下，除去次要構(gòu)件簡(jiǎn)化模型，使建筑模型即符合實(shí)際的受力狀況，又減少次要因素對(duì)于結(jié)構(gòu)整體模型的失真影響。

（2）對(duì)結(jié)構(gòu)安全性指標(biāo)及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)進(jìn)行合理的選擇

通常在對(duì)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行選擇時(shí)，我們把對(duì)建筑結(jié)構(gòu)影響的主要參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量。如目標(biāo)控制的相關(guān)參數(shù)（損失的期望 C2 和結(jié)構(gòu)的造價(jià)C1）和約束控制相關(guān)參數(shù)（結(jié)構(gòu)的可靠度PS）等；然而還有一些影響不是太大，其變化范圍也不是很大或者由局部性以及結(jié)構(gòu)的相關(guān)要求就能夠滿(mǎn)足相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求的一些參數(shù)，我們可以用預(yù)定參數(shù)來(lái)表示，這樣能夠使得我們的計(jì)算量均大大減小。

（3） 對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行確定

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的時(shí)候，我們應(yīng)通過(guò)多次試算來(lái)尋找一組即能夠滿(mǎn)足現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的整體指標(biāo)又能使結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸、鋼筋面積等經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)相關(guān)參數(shù)最小的一組作為目標(biāo)模型進(jìn)行計(jì)算，使得工程達(dá)到安全、適用、經(jīng)濟(jì)、美觀的最終目的。

3.約束條件的確定

在房屋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須在滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)可靠度的前提下，來(lái)確定優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中的約束條件。

優(yōu)化設(shè)計(jì)中的約束條件主要包括裂縫寬度約束、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度約束、尺寸約束、構(gòu)件單元約束、應(yīng)力約束、結(jié)構(gòu)體系約束、從可靠指標(biāo)約束到確定性約束條件以及從正常使用極限狀態(tài)下的彈性約束到最終極限狀態(tài)的彈塑性約束等。

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候，我們必須對(duì)目標(biāo)約束條件與實(shí)際的約束條件進(jìn)行相應(yīng)的比較與分析，再確保每個(gè)約束條件都必須滿(mǎn)足相關(guān)要求，以實(shí)現(xiàn)最佳的設(shè)計(jì)。

4.結(jié)果分析

我們必須對(duì)相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行必要的分析比較，這一步驟在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化中尤其重要。合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，不僅從設(shè)計(jì)的角度趨于合理，而且在施工技術(shù)方面也有更好的操作性。這樣就不會(huì)在施工方面增大施工投資。

5.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

（1）結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)注意初步方案的選定，初步設(shè)計(jì)方案應(yīng)結(jié)合建筑類(lèi)型、地質(zhì)水文的情況、建筑高度等確定，他的確定直接會(huì)影響到工程的造價(jià)。所以我們應(yīng)該注意，初步方案要全方位的考慮各方因素，來(lái)做到結(jié)構(gòu)合理、功能齊全、經(jīng)濟(jì)適用的結(jié)構(gòu)形式。

（2）概念設(shè)計(jì)結(jié)合細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

在沒(méi)有具體數(shù)值量化的情況下，可以使用概念設(shè)計(jì)。例如，對(duì)地震的烈度進(jìn)行設(shè)防時(shí)，由于它存在這不確定的因素，所以我們無(wú)法找到與實(shí)際相符合的計(jì)算式，所以在進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化的時(shí)候我們可以使用概念設(shè)計(jì)的方法，把相應(yīng)的數(shù)值作為參考與輔助相關(guān)的依據(jù)。同時(shí)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員必須合理使用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法，從而達(dá)到最佳的效果。在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須對(duì)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

（3）下部地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化

在地基基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化中，我們必須選取合適的方案，如何選擇基礎(chǔ)類(lèi)型，可通過(guò)下面的實(shí)例簡(jiǎn)單闡述選擇基礎(chǔ)類(lèi)型的條件。

例如上述工程“除鹽水泵站”由于工程有3米深的軟土，為此原設(shè)計(jì)主車(chē)間采用樁基，酸堿儲(chǔ)蓄間采用混凝土條形基礎(chǔ)。后來(lái)經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，可以把基礎(chǔ)作用在-4.000m的粉質(zhì)粘土層上，地基承載力為130KPa可以承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的荷載，且粉質(zhì)粘性土層下沒(méi)有軟弱下臥層。故基礎(chǔ)改為筏板基礎(chǔ)，從而光基礎(chǔ)方案的改動(dòng)就節(jié)約投資20多萬(wàn)。

由上述可知選擇基礎(chǔ)方案，可從以下幾個(gè)方面考慮

①上部結(jié)構(gòu)體系的荷載大小及分布。

②地基承載力是否能滿(mǎn)足上部荷載要求。

③持力層以下軟弱下臥層對(duì)持力層承載力的影響是否滿(mǎn)足上部荷載要求。

除此上述條件外，還包括基礎(chǔ)總沉降量和差異沉降量的控制、地下水位及其防水要求、基礎(chǔ)施工給周邊現(xiàn)有建筑帶來(lái)的不利影響、不同的基礎(chǔ)形式對(duì)基礎(chǔ)造價(jià)的影響對(duì)比，來(lái)滿(mǎn)足基礎(chǔ)對(duì)于上部荷載的承載能力及更加經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)形式。

6.結(jié)束語(yǔ)

總而言之，房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化涉及的內(nèi)容比較多，是一個(gè)復(fù)雜而綜合的技術(shù)篩選過(guò)程。在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，耐用、舒適、美觀、安全是非常重要的指標(biāo)，這些指標(biāo)之間是互相聯(lián)系、相輔相成的，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，一定要進(jìn)行綜合考慮，確保房屋建筑功能的充分發(fā)揮，實(shí)現(xiàn)房屋建筑的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益，促進(jìn)建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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作者信息：侯緒濤，身份證號(hào)碼370832198709193116.；孟艷艷，身份證號(hào)碼37083219851215034X.endprint