建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化淺析

文/王凱曉、張海東 威海思維建筑設(shè)計有限公司 山東威海 264200

1、結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的重要性

（1）降低成本：隨著社會的不斷發(fā)展，人們的生活質(zhì)量和水平日益提高，對建筑環(huán)境與建筑功能提出了更高的要求，越發(fā)注重建筑的美觀性、舒適性與經(jīng)濟(jì)性。隨著建筑的造型越來越新穎、功能越來越多樣化、智能化，超高、超大跨等復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)越來越多，所帶來的影響是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計安全性要求越高；結(jié)構(gòu)體系更加復(fù)雜；施工難度不斷增大；建材、能源、人力等消耗巨大。例如：國家體育場（鳥巢）建設(shè)過程中，在保持“鳥巢”建筑風(fēng)格不變的情況下，中方設(shè)計師對原設(shè)計方案的結(jié)構(gòu)布局、構(gòu)件截面形式、材料利用率等問題進(jìn)行了較大幅度的調(diào)整與優(yōu)化。原設(shè)計方案中的可開啟屋頂被取消，屋頂開口擴(kuò)大，并通過對鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化，大大減少了用鋼量，在保證建筑安全的前提下，以最經(jīng)濟(jì)的手段實(shí)現(xiàn)了降低工程成本的目的。

（2）結(jié)構(gòu)更安全合理：優(yōu)化房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，以全面發(fā)揮建筑使用性能為主，在結(jié)構(gòu)設(shè)計理念中融入藝術(shù)學(xué)、審美學(xué)等理論，對建設(shè)目標(biāo)與建筑性能全面考慮，在確保建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計安全穩(wěn)定的前提下，制訂完善的設(shè)計優(yōu)化方案，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用合理的結(jié)構(gòu)方案、體系、計算模型、構(gòu)件，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

（3）縮短施工周期，利于節(jié)能環(huán)保：與以前模式中建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計對比，現(xiàn)代的優(yōu)化設(shè)計方法，應(yīng)合理配置各項(xiàng)建筑資源，提高各項(xiàng)資源利用效率，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，化繁就簡，降低施工難度同時也縮短了施工周期，相對減少了建筑施工期間對環(huán)境、大氣的污染。例如目前比較普遍采用的裝配式結(jié)構(gòu)形式，因此，在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域開展優(yōu)化設(shè)計，也符合節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展的國家策略。

2、結(jié)構(gòu)設(shè)計存在問題

2.1 建筑結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性

如今，大部分建筑工程以高層建筑居多。然而，高層建筑在施工過程中，往往容易受到外界因素的影響，對建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較易產(chǎn)生干擾。因此，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的穩(wěn)定性及抗震性能便顯得尤為重要，是設(shè)計人員必須考慮的因素之一。設(shè)計人員不僅需要考慮建筑物的寬度，還需要考慮建筑物基礎(chǔ)的埋置深度。例如，由于基礎(chǔ)的埋深不合理，一旦該地區(qū)發(fā)生地震，便會導(dǎo)致建筑物出現(xiàn)滑移的問題，甚至發(fā)生建筑物傾覆的事故，對居民財產(chǎn)安全及生命安全構(gòu)成威脅。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計安全問題

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計安全是結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，也是保證人們生命財產(chǎn)安全的重要防線。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，隨意加大構(gòu)件截面或增加用鋼量，并不一定會增加安全性，反而可能存在安全隱患。強(qiáng)柱弱梁的概念設(shè)計就是為了在地震作用下，塑性鉸不優(yōu)先出現(xiàn)于柱端，保證框架柱不會優(yōu)先破壞，如果隨意增加梁截面及鋼筋，造成梁的剛度很大，在地震作用下，塑性鉸就會優(yōu)先出現(xiàn)于柱端，造成結(jié)構(gòu)的整體破壞，甚至倒塌。因此結(jié)構(gòu)設(shè)計安全必須引起重視。

3、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化措施

3.1 管理制度方面

政府主管部門首先要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計工作的推行，通過行政手段保證優(yōu)化工作的實(shí)施，加大設(shè)計市場的管理制度，完善相應(yīng)法律、規(guī)范設(shè)計市場。引入設(shè)計監(jiān)理這種方法是十分有必要的，通過設(shè)計監(jiān)理的方式可以管理設(shè)計單位自己隨心所欲的局面，通過嚴(yán)格準(zhǔn)確的控制對項(xiàng)目設(shè)計進(jìn)行監(jiān)管，使工程更加經(jīng)濟(jì)和合理。完善公平競爭的設(shè)計市場，普及符合條件的項(xiàng)目設(shè)計招標(biāo)。通過價值工程等方法對建筑設(shè)計方案進(jìn)行選擇。

3.2 使用價值工程分析法

通過價值工程分析法可以降低生產(chǎn)成本和使用成本，它重點(diǎn)是可以對工程設(shè)計功能進(jìn)行分析，滿足使用者的需求。多方協(xié)作后，借鑒之前的成功經(jīng)驗(yàn)，改善更合理的設(shè)計方案，在團(tuán)隊集體的努力下，提高產(chǎn)品價值的可行性方案。根據(jù)工程的實(shí)際情況不只是追求提高功能性，而且是降低成本提高經(jīng)濟(jì)效益的有效方法，采取最佳的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，價值工程是一個成熟的管理辦法，而且在許多國家都到廣泛的應(yīng)用。

3.3 建筑基礎(chǔ)設(shè)計

基礎(chǔ)設(shè)計作為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的重中之重，其合理性不僅關(guān)乎于結(jié)構(gòu)安全，也關(guān)乎于工程造價。通常一個建筑的基礎(chǔ)造價是比較高的，典型的占20%左右，一個合理、可行的基礎(chǔ)方案可以節(jié)省很多建材及人力，作為結(jié)構(gòu)設(shè)計人員，應(yīng)該做到更合理的選用基礎(chǔ)形式，在保證安全的前提下，避免造成不必要的浪費(fèi)。

案例分析：

山東威海某工程，兩幢高層，一幢為酒店22層（層高3.5米，主體結(jié)構(gòu)屋頂標(biāo)高88米），一幢為公寓27層（層高3.0米，主體結(jié)構(gòu)屋頂標(biāo)高為94.5米）以及裙房5層，經(jīng)計算，公寓單柱軸力標(biāo)準(zhǔn)值接近30000KN，酒店單柱標(biāo)準(zhǔn)值接近22000KN，原設(shè)計采用長螺旋鉆孔灌注樁，初步設(shè)計直徑為800mm，樁長約18米左右，單樁承載力特征值僅有2150KN左右，公寓樓一根柱下需要15跟樁左右，無法布樁，由于樁分布范圍較大，筏板變形較大，配筋也較多，不經(jīng)濟(jì)。考慮到樁下部提供側(cè)摩阻力的各層土以礫砂為主，而端部則為強(qiáng)風(fēng)化巖，通過后注漿能夠有效加強(qiáng)這些土體以達(dá)到提高承載力的效果，故提出了使用鉆孔灌注樁加后注漿的方案，單樁承載力特征值預(yù)估值為4000KN（實(shí)際測試為5500KN）。通過優(yōu)化設(shè)計，樁數(shù)由原來的2052根減少至1039根(756根)，工程總造價節(jié)省了約261.9萬元（654.9萬元），本工程采用后注漿工藝是成功的，也取得了很明顯的經(jīng)濟(jì)效益，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化是每一個結(jié)構(gòu)工程師的必修課，認(rèn)真對待每一個工程，采取多方案、多形式的比較，選取最合理的方案，給甲方一個滿意的交代，對自身也是一個提高，只有這樣，才能促使我們設(shè)計人員不斷進(jìn)步，不至于被淘汰。

結(jié)語：

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計是建筑工程中重要的工作環(huán)節(jié)之一，不僅決定了項(xiàng)目工程整體質(zhì)量，同時也決定了建筑結(jié)構(gòu)外觀。故而，設(shè)計人員在設(shè)計工作中，應(yīng)先確保工程項(xiàng)目的安全性，盡可能延長建筑物的使用壽命。在這一前提下，盡量壓縮企業(yè)的投資成本，不僅保障人們的生命安全與財產(chǎn)安全，同時為企業(yè)創(chuàng)造豐富的經(jīng)濟(jì)收益。