探究建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化方法及應(yīng)用

摘 要：建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性決定了建筑的使用壽命和質(zhì)量，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計涉及工程造價以及施工技術(shù)問題，同時還要兼顧一定美觀性和功能性。因此優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，具有重要意義。本文基于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)的角度，首先介紹優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的常規(guī)步驟，隨后提出具體的優(yōu)化方法以及應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)；設(shè)計方法；剪力墻；優(yōu)化模型

前言：建筑行業(yè)隨著我國城市化進(jìn)程快速發(fā)展，由此涌現(xiàn)一大批建筑企業(yè)，為了保持各自企業(yè)的競爭優(yōu)勢，在各自施工技術(shù)水平相持平的前提下，企業(yè)會在建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量上下功夫，通常是采用優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法。對于企業(yè)來說，科學(xué)、合理的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案有效提高建設(shè)資金的使用率，為企業(yè)賺取更多利潤。

1 優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的常規(guī)步驟

這一步驟是建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的關(guān)鍵步驟，通過獲取其結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)，建立模型并進(jìn)行分析和處理，最后計算出模型的最優(yōu)解。建立優(yōu)化模型需要做好以下兩點：第一，從大量變量參數(shù)中選取科學(xué)、合理的作為模型參數(shù)，這些工作決定了優(yōu)化模型的準(zhǔn)確性與有效性，同時也影響著最優(yōu)解的求解復(fù)雜度與工作量。第二，確立目標(biāo)函數(shù)，它是優(yōu)化模型的基礎(chǔ)部分，也是最優(yōu)解的過程依據(jù)，目標(biāo)函數(shù)約束了建立模型的約束條件，如強(qiáng)度、尺寸、應(yīng)力、彈塑性。

確立了優(yōu)化模型、約束條件以及參數(shù)后，利用這三者計算方案設(shè)計，基于最優(yōu)化數(shù)理統(tǒng)計要求，需將約束條件轉(zhuǎn)為非約束條件，才能繼續(xù)開展優(yōu)化。接著采用合理的優(yōu)化算法，確保模型收斂性、穩(wěn)定性獲得全局唯一最優(yōu)解。

完成計算方案后，將各項參數(shù)輸入計算機(jī)中，并進(jìn)行程序編寫，利用其自動優(yōu)化處理，得出最終方案。根據(jù)得出的方案，再綜合考慮經(jīng)濟(jì)、政策以及實現(xiàn)條件等因素，保證方案的科學(xué)性和可行性。其中時間和人力成本應(yīng)列為方案分析的優(yōu)先級，保證建筑安全和質(zhì)量的前提下，盡可能將兩者降至最低。具體包括技術(shù)指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)之間找到合適的平衡點，以此節(jié)省建設(shè)資金，采用新技術(shù)減少不必要的資金、材料、成本消耗[1]。

2 建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的具體應(yīng)用

2.1樁基礎(chǔ)偏差控制和處理

樁基礎(chǔ)施工中容易造成樁偏差，因此要重點關(guān)注承臺樁以及條形承臺樁，樁位偏差會產(chǎn)生較大附加內(nèi)力，使得樁基設(shè)計處于不穩(wěn)定狀態(tài)。對于樁基豎向偏差，可以通過控制樁頂標(biāo)高的允許偏差為-50～+100mm，但這樣操作在實際施工中工作量更大且損失更多。出現(xiàn)樁頂標(biāo)高高于設(shè)計標(biāo)高的情況，應(yīng)截樁處理。需要注意的是預(yù)應(yīng)力砼管樁樁頂有樁帽，如果進(jìn)行截樁帶來較大的施工難度，同時也不經(jīng)濟(jì)。當(dāng)樁頂標(biāo)高低于設(shè)計標(biāo)高，有需要為此補樁頭，同樣也會影響整體工程的工期和增加造價。根據(jù)以上兩個問題，必須嚴(yán)格控制樁頂標(biāo)高，盡最大可能使工程標(biāo)高與設(shè)計標(biāo)高保持一致，還要考慮樁在卸載后的回彈量，以此保證每根樁高于設(shè)計標(biāo)高。設(shè)計方案時，要對樁基施工存在的誤差問題納入方案影響因素的考慮，首先在方案中將偏差容許控制在20mm左右，由此避免大量小偏差樁的截樁；其次規(guī)定樁位的水平偏差，樁徑偏差或邊長控制在二分之一左右。需要特別注意的是，上述偏差控制內(nèi)容只為滿足設(shè)計要求，僅代表樁本身驗收合格。對于由此引起的承臺整體偏心，還需要另行采取措施，如增加承臺剛度或配筋的措施。

2.2優(yōu)化房屋分布結(jié)構(gòu)

房屋部分結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計主要包括：拉梁、荷載、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)內(nèi)容，對以上部分進(jìn)行優(yōu)化和處理，是實現(xiàn)建筑房屋結(jié)構(gòu)整體優(yōu)化的關(guān)鍵。對于房屋基礎(chǔ)拉梁結(jié)構(gòu)，設(shè)計師應(yīng)根據(jù)要求的高度、層數(shù)考慮房屋的防震性和穩(wěn)固性。計算基礎(chǔ)樁基與基礎(chǔ)拉梁的配筋率，以此確保兩者的和諧一致。設(shè)計師常忽略建筑地質(zhì)、風(fēng)力以及氣候等因素，應(yīng)將其納入優(yōu)化設(shè)計的考慮。

對于房屋荷載設(shè)計，首先要對建筑周圍的地質(zhì)情況進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查，明確地基的受荷載能力，并綜合風(fēng)力、氣候等元素設(shè)計其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。針對鋼筋混凝土和剪力墻結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用常規(guī)步驟，先對結(jié)構(gòu)整體和部件受力進(jìn)行預(yù)先演算，通過核定單元截面受力優(yōu)化不斷推進(jìn)，得出整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。通過上述方法，得出最科學(xué)、合理、安全穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)設(shè)計[2]。

2.3建筑使用壽命優(yōu)化以及上部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，并采取相應(yīng)的優(yōu)化方法能夠延長建筑的使用壽命，提升建筑企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計有一定的時效性，隨著時間推移，在技術(shù)、結(jié)構(gòu)以及材料的共同作用下，其使用壽命不斷減少。例如，在經(jīng)過一定時間后，建筑的材料開始喪失其功能，但是結(jié)構(gòu)、技術(shù)方面還發(fā)揮著應(yīng)有的作用，因此只需要針對材料方面進(jìn)行分段優(yōu)化即可。因此在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，要充分考慮建筑分段優(yōu)化的需求和特點。

上部結(jié)構(gòu)優(yōu)化，主要集中在剪力墻結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)，通過合理布設(shè)剪力墻，促進(jìn)其整體質(zhì)量均勻，保證樓層中心與樓層平面剛度中心重合，在發(fā)生自然災(zāi)害如地震、臺風(fēng)等，能夠最大限度減弱其對剪力墻的影響。基于此優(yōu)化要求，應(yīng)使用大開間剪力墻，延長墻肢長度，并在滿足設(shè)計規(guī)范和要求的前提下減少墻肢數(shù)量，以此減少混凝土使用量。若是建筑剪力墻本身的抗震性能弱，應(yīng)減少大開間剪力墻的設(shè)計和應(yīng)用。

2.4建筑協(xié)調(diào)性優(yōu)化

保證結(jié)構(gòu)與建筑整體平面的協(xié)調(diào)與配合，對于墻壁、建筑柱設(shè)計，應(yīng)滿足建筑內(nèi)部平面使用需求，確保房間開間、進(jìn)深統(tǒng)一。需要注意的是，墻、柱避免出現(xiàn)錯位情況，應(yīng)秉著簡潔的要求進(jìn)行設(shè)計和布置。各樓層墻柱高度與截面面積保持參數(shù)一致。對于電梯、樓梯設(shè)計，將高強(qiáng)度承重構(gòu)件布置于轉(zhuǎn)角區(qū)域，促使該區(qū)域應(yīng)力集中。

結(jié)論：綜合上述，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，要選取科學(xué)、合理的變量參數(shù)并建立優(yōu)化模型，還要做好樁基礎(chǔ)偏差控制和處理、優(yōu)化房屋分布結(jié)構(gòu)、優(yōu)化建筑使用壽命以及上部結(jié)構(gòu)、優(yōu)化建筑協(xié)調(diào)性，通過以上措施提升建筑建造質(zhì)量，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1] 付明陽.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用研究[J].江西建材，2017（02）：76+79.

[2] 丁博.試述建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用[J].建材與裝飾，2015（51）：65-66.

作者簡介：蘭正剛（1973年—）男，籍貫：四川省瀘州市瀘縣，職稱：工程師，研究方向：探究建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化方法及應(yīng)用。