結構設計優(yōu)化在房屋建筑結構設計中的應用

（廣州杰賽通信規(guī)劃設計院有限公司，廣東 廣州 510700）

近些年，人們對生活質量和居住條件的要求不斷提升，相應地，對建筑工程的綜合品質也提出了更高的要求。與此同時，國家也出臺了相關政策呼吁建筑的節(jié)能化、高效化發(fā)展，這就要求建筑企業(yè)積極運用結構設計優(yōu)化方法，使有限的空間與資源的價值得到最大化發(fā)揮，進而促進建筑工程實用性、經濟性發(fā)展目標的實現，這對我國整個建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展來說也是大有好處的。

1 建筑結構設計優(yōu)化的重要意義

1.1 結構設計優(yōu)化有利于提高材料的有效利用率

對于我國這樣的發(fā)展中國家而言，建筑結構設計優(yōu)化的主要目的就是以最少的資金建設出最好的建筑。站在優(yōu)化設計的層面來看，結構性能最佳的方案并非一定是材料利用率最高的方案，這就要求設計者在開展設計工作的時候必須注重對結構材料的充分利用，與此同時，還要加強對各類新型建筑材料的應用，如鋼管混凝土結構、預應力混凝土結構等。其中，鋼管混凝土結構是在薄壁圓形鋼管中填入混凝土的一種全新結構形式，其可將兩類材料有機結合起來，通過填入的混凝土來提高鋼管壁本身的穩(wěn)定性水平，同時，還可利用鋼管對核心混凝土產生的作用，使其處于三向受壓狀態(tài)，進而增強其抗變形能力以及抗壓強度。與普通的鋼結構相比，鋼管混凝土結構在承載力和自重基本一致的情況下，可節(jié)省約50%的鋼材，同時還可簡化焊接工序，有效降低焊接工作量。相較于普通混凝土而言，鋼管混凝土在確保鋼材使用量相近以及承載性能一致的基礎上，可減少大約50%的構件截面面積，相應的材料用量也可節(jié)省一半左右。事實證明，對房屋建筑結構設計的優(yōu)化，可顯著提升材料的利用率，使工程成本得到有效控制。

1.2 結構設計優(yōu)化有利于提高建筑結構的經濟性

建筑的層高越高，其墻體面積和柱體積也會相應地增加，進而致使結構的自重增大，各類水電管線也會加長。反之，若層高較低，便可大大節(jié)省材料，同時也能增強建筑的抗震性能，與此同時，建筑的總高度也會隨之下降，兩棟建筑之間的日照距離也會因此而縮短，這就間接節(jié)省了用地面積。在建筑面積相同的條件下，若選擇圓形或接近于方形的平面形狀，建筑外墻的周長系數相對來說較小，與此同時，建筑基礎以及內外表面裝修也會隨之減少，這樣就能有效提高建筑的經濟性能。從以往的工程實踐中可以看出，采用結構優(yōu)化設計方法可使建筑工程的總造價降低6%～30%，從而使整個建筑工程的經濟效益更為可觀。

2 當前房屋建筑結構設計的現狀

2.1 建筑結構設計圖紙不夠詳細

建筑工程施工中一個最為基礎的要素就是圖紙，這也是必不可少的一大關鍵要素，整個施工過程相關工作的開展都需要以圖紙作為基本參照，只有設計出一個科學完善的建筑結構圖紙，才能為施工提供方便，避免在后期出現不必要的變更。然而，當前部分施工企業(yè)所提供的建筑結構設計圖紙并不完善，圖紙中的細節(jié)內容不夠詳細，經常出現結構類型不明確、缺乏抗震等級要求、沒有規(guī)定墻體材料類型等問題，另外，還有些圖紙本身設計不夠專業(yè)，沒有嚴格按照相關標準進行圖紙的繪制，圖紙中的內容標識也不是很清晰，這種不規(guī)范的設計圖紙對施工造成的不良影響非常大，嚴重時甚至會致使現場施工陷入混亂無序的狀態(tài)，最終引發(fā)施工安全事故。

2.2 基礎選型缺乏科學性

對于房屋建筑來說，使用功能的重要性毋庸置疑，但安全性也是非常重要的，建筑物的安全水平主要是由建筑結構設計的合理性決定的。建筑結構的選型是否科學、使用的材料是否滿足標準要求、承載性能是否達標、抗震等級是否合理等，都會直接影響到建筑工程的整體安全水平。從當前的現狀來看，我國建筑行業(yè)經常出現建筑結構選型不合理的問題，如建筑承載性能偏低、施工基礎差等，這就極易導致建筑物在后期出現不均勻沉降的問題，最終引發(fā)各種安全隱患。

3 結構設計優(yōu)化在房屋建筑結構設計中應用的步驟

3.1 建立結構優(yōu)化模型

要實現對房屋建筑結構設計的有效優(yōu)化，首先就必須建立科學合理的結構優(yōu)化模型。結構設計優(yōu)化需要從大量變量中選擇出最為重要的參數，通過這些參數建立函數模型，從而計算出最優(yōu)解。一般來說，模型的構建主要可分成兩大環(huán)節(jié)：首先，應選擇最為合理的設計變量，這是構建模型的基礎和關鍵，變量的設計將對參數的選擇產生直接影響，科學合理地對變量進行計算可大大降低后期計算編程的工作量。其次，應對目標函數進行確定。相關人員應先找出符合函數條件的最優(yōu)解，然后再確定約束條件，約束條件具體主要涉及到彈塑性、強度和尺寸等方面。在對建筑整體結構進行優(yōu)化的時候，必須確保上述約束條件都處在規(guī)定范圍內，盡可能滿足設計的相關需求。

3.2 對計算方案進行優(yōu)化設計

在建筑結構優(yōu)化過程中，各方面的約束條件以及變量參數都會直接影響到優(yōu)化過程。因此，在開展相關計算工作的時候，必須將所有的約束條件轉化成非約束條件，保證整個優(yōu)化過程的順利完成。與此同時，還要綜合考慮變量的因素，采用科學有效的計算方式對建筑結構設計加以優(yōu)化。

3.3 程序設計

在完成計算方案優(yōu)化設計的基礎上，還要做好程序設計工作，首先需要對程序進行合理編寫，然后再將其導入到計算機之中，為后期計算工作的開展奠定基礎，在進行相關計算的時候，工作人員只需要將所需數據輸入到系統(tǒng)之中，就可通過設定好的程序計算出準確而直觀的結果。

3.4 結果分析

建筑結構優(yōu)化設計的最后一環(huán)就是結果分析，所有計算機計算出的數據信息都需要經過詳細的分析才能得出最終的結果，進而以此為依據確定最佳的優(yōu)化設計方案。在開展結構優(yōu)化設計工作的過程中，應對各方面的阻礙因素進行綜合考慮，最大限度確保結構設計優(yōu)化工作的順利完成。對建筑工程而言，整個施工過程往往需要花費較多的人力、物力以及財力，結構優(yōu)化的主要目的就是把上述指標控制在最低，并為建筑質量的可靠性提供保障。因此，在對建筑結構進行優(yōu)化設計的時候，必須注意以下問題：第一，應找準建筑經濟與技術之間的平衡點，盡可能降低或消除二者之間的矛盾，即使引入了一些現代化技術，也無需付出過多的成本。第二，應認識到技術所能帶來的經濟效益，明確技術的優(yōu)化可在一定程度上降低經濟成本，因此，必須加強對先進技術的應用。

4 結構設計優(yōu)化在房屋建筑結構設計中的具體應用

4.1 整體優(yōu)化和局部優(yōu)化

建筑結構設計表現出明顯的層次性和復雜性。首先，從層次性上來看，其主要涉及到建筑設計體系、結構體系和安裝設計體系等，且上述每個體系之下還包括諸多小的分支體系。設計人員在開展建筑結構設計工作的時候，應當結合工程的具體情況以及各個分支的特點加以優(yōu)化，循序漸進地解決各環(huán)節(jié)遇到的困難，進而確保整個工程的順利完工。其次，站在復雜性的層面來看，其主要涉及到建筑原材料的選擇、零部件的選擇以及結構類型的確定等內容。所以，不管是哪種類型的房屋建筑，都可從整體和局部出發(fā)進行優(yōu)化，最終實現建筑結構設計水平的最大化提升。

4.2 基礎優(yōu)化設計

房屋建筑的基礎結構與建筑整體功能的正常發(fā)揮及其穩(wěn)定性有著十分密切的聯(lián)系，所以，在進行建筑基礎結構設計的時候，設計人員必須注重對結構優(yōu)化設計方法的運用，盡量實現對地基地質、基礎結構等重點環(huán)節(jié)設計工作的全方位把控，在基礎結構設計方案中，應處理好建筑基礎結構與施工成本、施工技術等的關系，找準三者之間的平衡點。對于框架結構來說，應根據地質勘察報告對基礎形式進行合理選擇，若施工現場的地基承載力較好，則最好選擇淺基礎形式；若施工現場的地基承載力較差或者土質狀況不佳，首先應考慮地基處理方案是否具備可行性，若可行則選用地基處理方案，若不可行則需采用樁基礎。灌注樁和預制樁是兩類比較常見的樁基礎形式，其中，灌注樁的施工過程比較復雜，整個施工工期也比較長，且很難對施工質量進行有效控制。因此，在沉降滿足相關標準的前提下，可采用預制樁施工法，利用深層樁基增大土壤對樁身的摩擦力，并盡可能選用長度較長的預制樁。

4.3 分階段優(yōu)化

建筑工程項目各個環(huán)節(jié)的施工都是密切聯(lián)系的，且每一個環(huán)節(jié)都有著自身獨特的優(yōu)化設計方法。因此，在實際開展工程建設工作的時候，應堅持分階段優(yōu)化設計的原則，首先應對建筑施工建設的階段進行合理劃分，然后將不同階段的性質作為參考依據，對建筑結構設計加以優(yōu)化，同時還要注重對整個工程壽命的優(yōu)化，這樣才能使企業(yè)的經濟效益得到進一步提升。

4.4 上部結構的優(yōu)化

在對房屋建筑的上部結構進行優(yōu)化的時候，首先應對剪力墻進行科學設置，具體而言，應讓剪力墻的質量保持一定的均勻性，確保對稱樓層的平面中心與同樓層的結構重心相重合，盡量降低大風、地震等外部因素帶來的不良影響。在房屋類型滿足標準要求的前提下，應采用大開間的剪力墻構造形式，適當增長剪力墻的墻肢，控制墻肢總數，從而節(jié)約混凝土使用量。另外，由于剪力墻的暗柱一般采用的是鋼筋，這樣一來，就可通過采用大開間剪力墻來降低鋼筋的使用量。但是，在遇到建筑施工現場地質條件較差或者地質環(huán)境比較復雜的情況時，不能減少鋼筋的數量，在這種情況下也就不適用采用大開間剪力墻的構造形式。

4.5 排水結構協(xié)調優(yōu)化

現代房屋建筑工程中往往設有給排水專用房，其中涉及到大量的機械設備，如此一來就會加大建筑的負荷量，所以，在設計的時候應盡量將水泵設置在地下室中。需要注意的一點是，由于排水房間中的管道數量非常多，且管道規(guī)格尺寸各不相同，因此，必須適當加固樓板上的穿孔位，預留出滿足規(guī)范要求的孔洞，最好不要讓孔洞影響到水平方向管線對建筑梁結構的貫穿。若管道需要貫穿房屋的承重墻，則還要注重加強對墻體的維護，整個排水結構優(yōu)化設計中，必須處理好結構布設與管網體系的關系，以免發(fā)生管道繞梁或柱的問題。

5 結語

綜上所述，結構設計在房屋建筑建設過程中占據著十分重要的地位，而要使結構設計更好地滿足工程建設需求，就必須積極運用結構設計優(yōu)化方法，一般來說，房屋建筑結構設計優(yōu)化的步驟主要為建立結構優(yōu)化模型、優(yōu)化計算方案、程序設計以及結果分析。從優(yōu)化內容上來看，主要涉及到整體優(yōu)化和局部優(yōu)化、基礎優(yōu)化設計、分階段優(yōu)化、上部結構優(yōu)化等，只有落實好上述幾個方面的優(yōu)化設計工作，才能使房建工程結構設計水平得到全方位提升。