結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中的運(yùn)用

嘉更虎

1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化方式的理論體現(xiàn)

結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅需要考慮滿足建筑項目的實(shí)際需求，同時還需要保證房屋建筑能夠具有良好的審美性，這也是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化所追求的目標(biāo)。

對于建筑結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計，我們需要盡量減少質(zhì)量中心和剛度中心的差異，而且整體平面要保持對稱性和規(guī)則性。在滿足建筑物本身的功能下，要盡量讓承重構(gòu)件達(dá)到上下貫通；而且為了降低在結(jié)構(gòu)設(shè)計上的難度，要盡量減少轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的使用、要盡量避免特別不規(guī)則和嚴(yán)重不規(guī)則結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，避免超限結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)。在豎向設(shè)計上還得充分考慮剛度的相關(guān)要求，剛度的變化要保持漸變性而不是突變性。

2 房屋建筑領(lǐng)域結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方式的重要性

高層建筑和超高層建筑是現(xiàn)代建筑的主要發(fā)展趨勢，如何有效的控制工程建設(shè)成本，保證工程建設(shè)的質(zhì)量是現(xiàn)階段建筑企業(yè)需要著重考慮的問題。若是相關(guān)建筑企業(yè)想要保證房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計達(dá)到理想化，那么設(shè)計單位必須要保證在對工程建設(shè)質(zhì)量不會造成任何不良影響的前提下，對于房屋建筑工程設(shè)計方案進(jìn)行全面性的分析，應(yīng)用現(xiàn)代化、系統(tǒng)化、科學(xué)化的設(shè)計觀念對房屋建筑項目進(jìn)行設(shè)計，將房屋建筑工程造價控制在合理的范圍內(nèi)，將建筑企業(yè)能夠獲得的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益最大限度的發(fā)揮出來。對于房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，還能有效的提升房屋建筑的綜合性能，為人們提供安全、可靠的房屋建筑，能夠有效提升我國房屋建筑質(zhì)量，促進(jìn)我國建筑行業(yè)的發(fā)展，為我國的建筑企業(yè)帶來更多的經(jīng)濟(jì)效益。

3 在房屋建筑領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方式的具體運(yùn)用

3.1 房屋建筑的整體性與局部性優(yōu)化

優(yōu)化設(shè)計首先要從整體出發(fā)，把握住大局，控制好優(yōu)化的主導(dǎo)方向。同時，整體結(jié)構(gòu)都是由無數(shù)個單個構(gòu)件組成的，對每個構(gòu)件都進(jìn)行優(yōu)化，才能達(dá)到整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

3.2 從多方案比較方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化

每個工程都應(yīng)列出多個方案進(jìn)行比較，從中選出經(jīng)濟(jì)、合理、安全、可靠的最優(yōu)方案。如上部結(jié)構(gòu)的形式的選擇、下部結(jié)構(gòu)地基處理方式的選擇等，每種方案都應(yīng)該給出簡單的造價比較。

3.3 地基處理的具體優(yōu)化

地基處理的方案有很多種，如：換土墊層法、強(qiáng)夯法、灰土、素土擠密樁法、碎石樁、水泥土攪拌樁、CFG樁、高壓旋噴樁、預(yù)應(yīng)力混凝土管樁、DDC樁、鋼筋混凝土灌注樁等，根據(jù)房屋的層數(shù)、地基承載力的大小、工程地質(zhì)勘察報告中的土層地質(zhì)情況綜合考慮，每個工程都應(yīng)列出多個方案進(jìn)行比較，每種方案都應(yīng)該給出簡單的造價分析，進(jìn)行比較，從中選出經(jīng)濟(jì)、合理、安全、可靠的最優(yōu)方案。鋼筋混凝土灌注樁采用樁側(cè)樁底后注漿工藝，承載力比原來普通灌注樁提高約2倍以上，所以近幾年來在工程中得到了廣泛的應(yīng)用，大大節(jié)省了工程造價。如高層剪力墻住宅采用墻下布單排樁，高層框架-核心筒結(jié)構(gòu)采用柱下布承臺樁、核心筒下布厚板裙樁。

3.4 地基基礎(chǔ)的具體優(yōu)化

地基基礎(chǔ)的方案有很多種，如：獨(dú)立基礎(chǔ)、墻下條形基礎(chǔ)、梁板式筏板基礎(chǔ)、柱下樁承臺基礎(chǔ)、下柱墩平板基礎(chǔ)、高層剪力墻住宅墻下單排樁+承臺梁+防水板基礎(chǔ)（這種基礎(chǔ)近幾年來在工程中得到了廣泛的應(yīng)用，并且大大節(jié)省了工程造價），高層框架-核心筒結(jié)構(gòu)柱下布樁承臺、核心筒下布裙樁厚板等。每種方案都應(yīng)該給出簡單的造價分析，進(jìn)行比較，從中選出經(jīng)濟(jì)、合理、安全、可靠的最優(yōu)方案。

3.5 上部結(jié)構(gòu)及形式的具體優(yōu)化

上部結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)當(dāng)建立相應(yīng)的模型并進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化。首先合理地設(shè)置剪力墻，保證剪力墻均勻、分散、對稱性，使樓層平面剛度中心重合于樓層結(jié)構(gòu)重心，從而減少地震或風(fēng)力等對其的破壞性。如果條件允許，要盡可能地對剪力墻進(jìn)行大開間的布置，加長剪力墻的墻肢長度，這樣就能減少墻肢的數(shù)量，減少混凝土的用量。結(jié)構(gòu)的選型上盡量避免平面及豎向的不規(guī)則性，避免豎向剛度突變，避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)特別規(guī)則，不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則結(jié)構(gòu)，避免出現(xiàn)超限結(jié)構(gòu)設(shè)計。合理、對稱、均勻布置剪力墻的數(shù)量、位置，結(jié)構(gòu)整體剪力墻等就處于構(gòu)造配筋或較小配筋狀態(tài)，如果布置不合理，就會出現(xiàn)大量超筋或計算配筋很大，造價就會增加很多。上部結(jié)構(gòu)的形式有好多種，如砌體結(jié)構(gòu)、底部框架結(jié)構(gòu)上部砌體結(jié)構(gòu)、純框架結(jié)構(gòu)、少墻框架結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-核心筒結(jié)構(gòu)、混合結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等，多種結(jié)構(gòu)通過造價比較從中選出經(jīng)濟(jì)、合理、安全、可靠的最優(yōu)方案。要積極采用新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備、新材料，特別是鋼結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等在大跨度的公共建筑中得到了廣泛的應(yīng)用。

3.6 計算模型的具體優(yōu)化

（1）計算參數(shù)必須填寫正確，如計算位移時連梁剛度折減系數(shù)填1.0，各層樓板均按剛性假定；計算配筋時連梁剛度折減系數(shù)填0.6～0.7，各層樓板均按彈性假定。

（2）各層荷載必須填寫正確；如各層梁板柱墻自重計算機(jī)自動計算外，其余面層荷載都必須按建筑面層做法精確計算，不能隨意增加或減少，各部位樓板活荷載都必須根據(jù)建筑功能準(zhǔn)確選擇活荷載大小，絕對不能隨意增加或減少，各層梁上恒載也必須根據(jù)建筑圖上填充墻位置、墻厚、墻體材料準(zhǔn)確計算梁上荷載大小，絕對不能隨意輸入。設(shè)備用房由于設(shè)備及基礎(chǔ)荷載較大，應(yīng)將其設(shè)置在地下室地面上。

（3）嵌固端的位置必須選擇正確，根據(jù)地下一層的剛度與首層的剛度的比值能否≥2來確定首層地面能否作為嵌固端的位置，若不滿足≥2，地下一層應(yīng)采取增加剪力墻數(shù)量或剪力墻變厚等措施來滿足≥2，若還不滿足，嵌固端的位置下延一層或選在基礎(chǔ)頂。嵌固端的位置若選在基礎(chǔ)頂時，首層以下的抗震等級、約束邊緣構(gòu)件等均同首層，工程造價將會增加很多。故采取措施盡量將嵌固端的位置選擇在首層。

（4）計算結(jié)果的正確性、準(zhǔn)確性

①第一、二周期應(yīng)為平動周期，第三周期應(yīng)為扭轉(zhuǎn)周期，如果不是這樣的話就應(yīng)該調(diào)整結(jié)構(gòu)布局如剪力墻的位置等。

②各層樓面單位面荷載質(zhì)量，宜控制在13～15kN/m2，如果超出這個范圍應(yīng)檢查各層荷載的輸入是否偏大或偏小。

③檢查計算結(jié)果的周期、位移、剪重比、有效質(zhì)量系數(shù)是否符合規(guī)范要求。

（5）圖紙實(shí)配鋼筋必須與計算結(jié)果接近，誤差應(yīng)控制在5%以內(nèi)，不能隨意加大，同時還必須滿足規(guī)范的最低構(gòu)造要求如配筋率、配箍率等。

3.7 結(jié)構(gòu)優(yōu)化與建筑優(yōu)化保持協(xié)調(diào)

結(jié)構(gòu)設(shè)計要保證與建筑整體平面緊密配合，這樣能實(shí)現(xiàn)建筑本身的美觀與結(jié)構(gòu)的相應(yīng)合理性的效果。對于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)要保證簡潔，墻體與支柱不宜有錯位現(xiàn)象。選擇高強(qiáng)及輕質(zhì)材料，降低自重，減小地震力及配筋。建筑與結(jié)構(gòu)相互配合、相互反饋、相互修改，合理布置剪力墻數(shù)量及位置，要保證重心、剛心、質(zhì)心三者正確交疊，防止較大扭轉(zhuǎn)的狀況出現(xiàn)。

3.8 增加BIM設(shè)計，完善、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計

各專業(yè)通過BIM設(shè)計，把水、暖、電各種管線進(jìn)行綜合，放在一起，核對管線是否打架，各專業(yè)之間是否吻合，必要時小管線穿梁。核對結(jié)構(gòu)與建筑專業(yè)能否完全一致、吻合，是否矛盾，進(jìn)一步完善、修改結(jié)構(gòu)設(shè)計。

4 結(jié)語

通過對房屋建筑中的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方式的討論，我們可以知道，科學(xué)地對建筑整體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計與優(yōu)化能夠切實(shí)保證建筑本身的功能，做到合理、安全、經(jīng)濟(jì)，而且能夠控制和管理工程整體的資金投入。