土木工程建筑結構設計優化探析

張威偉 (十堰市展圖勘察設計審查咨詢有限公司 湖北 十堰 442000)

前言

土木工程是建造各類工程設施的科學技術的統稱。它既指工程建設的對象,即建造在地上、地下、水中的各種工程設施,也指所應用的材料、設備和所進行的勘測、設計、施工、保養、維修等專業技術。建造工程設施的物質基礎是土地、建筑材料、建筑設備和施工機具。借助于這些物質條件,經濟而便捷地建成既能滿足人們使用要求和審美要求,又能安全承受各種荷載的工程設施,是土木工程學科的出發點和歸宿。土木工程是社會和科技發展所需要的衣、食、住、行的先行官之一,與人們的生產生活息息相關。土木建筑可以建在任何地方,具有一定的靈活性,而且在建筑過程中需要經過勘察、設計和施工等階段,涉及建筑學、力學、工程學、管理學等多方面的內容,其中結構設計是土木建筑中的重點環節,對于工程質量有著直接影響。如何滿足消費者需求,找到建筑結構存在的問題,并且進行相應的優化設計,是現階段建筑設計工作人員的主要研究方向。

1 土木工程建筑結構設計優化的意義

1.1 有利于保證經濟效益

對于土木工程中的建筑結構設計優化問題,傳統的結構設計和采用優化技術后的建筑結構設計存在著很大的區別。如果從經濟效益上考慮,傳統的建筑結構設計存在相當一部分的冗余成分,這也造成了施工方成本的浪費;而如果采用更加科學,有效的建筑機構設計方案,則可以使得建筑結構的構建過程更加協調,從而大大減少了成本的投入,這樣的措施有效利用了有限的建筑資源,在減少經濟成本的同時,也能夠大大降低建筑企業在施工過程中所需要的時間成本。

1.2 符合行業要求

新時期人民主要矛盾集中在日益增長的對美好生活的追求中,而建筑作為大部分社會生產的活動的載體,有著自己獨特的作用。隨著我國經濟社會的發展,社會對于建筑行業也提出了更高的要求:即在保證建筑空間,結構等指標最佳的情況下,還要符合大眾的審美。土木工程作業經過建筑結構設計的優化之后,在對建筑資源進行最優的分配后,不但能夠節約各類成本,而且能夠憑借先進的優化措施,滿足目標受眾以及建筑施工方的多元化需求。這體現了現代土木工程的建筑結構設計優化的重要作用,相信會成為今后建筑行業不斷改革進步的重要著力點。

2 土木工程建筑結構設計基本原則

2.1 高效性原則

任何工作在最初展開期間,有關方面的準備工作是務必重視的部分,土木建筑結構設計工作亦是如此。在對土木工程建筑結構正式展開設計工作以前,首要便是明確建筑物的圖標,并保證設計方案能為土木工程建筑施工方案提供準確高的參照數據。與此同時,對于土木工程建筑結構中的各項數據有關人員應該全面了解和掌握,找出土木工程建筑施工期間出的難點部分,之后按照難點部分提出具有可行性的解決方案,降低土木工程建筑在具體施工期間出現各種各樣錯誤的概率。

2.2 安全性原則

在房屋建筑結構體系的設計過程中,保證建筑從設計到施工再到最后的投入使用都能安全進行時首要前提。在結構設計過程中,設計師要注意加強建筑的性能,設置不同的安全線。從理論上講不能盲目地進行結構選擇,不僅需要考慮建筑環境以及自然災害的影響,還要考慮建筑自身的各種特點,比如框架結構的承載力一般大于砌體結構的承載力等原理。在設計過程中,還可以通過增加防線數量的方式進一步加強設計結構的安全性,因為絕對的安全和穩定在整個建筑設計中是不復存在的,只有不斷建立并完善各種安全防護措施,才能降低危險的可能性。

2.3 完整性原則

完整性強調設計人員對工程項目的各個結構有全方位了解,全面設想結構設計,充分關注各設計細節,這也是設計土木工程建筑結構必須遵循的一項原則。換言之,在制定結構設計方案時,設計人員要詳細分析結構中的所有部分,綜合多方意見進行設計,并對可能出現的所有情況加以考慮,提出科學的解決方案,確保結構設計的可靠性。

2.4 合理性原則

在房屋建筑設計過程中,應從建筑整體性的角度明確建筑結構的基本性能。對于一個項目,在設計過程中要依照不同建筑的具體信息和不同的功能來確定其剛性強度和柔性強度。在建筑設計的過程中過于強調某一建筑的剛性強度則會導致建筑的變形能力下降,從而導致其荷載重量增加,對建筑造成局部破壞。但如果靈活性太強,會因結構變化而無法承受原有荷載,甚至造成整棟建筑倒塌。故而在整個設計的過程中,設計者需要從整體設計出發,先確保整個建筑結構設計的合理完善,然后找到整個建筑的關鍵部分,進而實現剛柔并濟的效果。

3 當前房屋建筑結構設計的現狀

3.1 圖紙設計中的問題

結構施工圖是民用建筑結構設計的關鍵內容,也是建筑承重墻等主體結構的設置依據,同時也明確規定了所使用的材料的類型和規格。但在實際的圖紙設計中也存在著較多的問題,主要可以分為工程計算問題和基礎平面圖的繪制問題。首先,基礎平面圖在繪制的過程中并沒有包含所有的內容,一些細節性的東西比如構造后澆帶和定位軸線并沒有很精準地在平面圖中標示出來,但這些細節與施工技術的運用以及建筑質量有著密切的關系,也是施工人員進行精準施工的必要標準。其次,方案中不完整的符號和元素也是問題所在,部分結構設計過程當中對一些材料沒有進行詳細的編號,尤其是建筑中所使用到的不同的樁柱有多種規格,如果不對他們進行相應的編號,很可能引起施工建造中的混亂。最后是工程計算的過程中存在問題,在結構設計的過程當中需要有精確的參數設計,對于受力、尺寸等參數需要進行精密的計算,但是部分設計人員在具體的計算過程當中并沒有進行二次驗算,以至于計算結果中存在著較多的誤差。

3.2 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,都會直接影響到土木工程的整體安全水平。從當前的現狀來看,我國建筑行業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,最終引發各種安全隱患。

3.3 耐久性和牢固性不強

縱觀我國當前的土木工程建筑結構設計,對建筑主體的耐久性相對重視。通常理論層面的建筑主體耐久性能達到建筑物或普通房屋的耐久性標準,但實際上所設計的主體結構很難達到預期使用年限。究其原因,設計人員在建筑結構的設計環節只一味注重建筑主體的耐久性,對環境因素造成的影響加以忽視,如土壤酸堿度、空氣干濕度、土壤含有的腐蝕建筑元素、環境溫度等,繼而造成建筑結構安全性和耐久性的降低,引發安全隱患。

3.4 計算精確度不足

計算精確度不高必然會對土木工程建筑結構設計工作的貫徹落實造成影響,特別是在力學中荷載計算方面,通常都對土木工程建筑結構設計有著很高的要求,當在土木工程建筑結構設計期間力學荷載計算存在著問題,那么勢必對會土木工程建筑結構設計的精確性造成影響,繼而為土木工程建筑建設隱埋下巨大的安全隱患。而力學荷載計算之所以會出現錯誤,主要是設計人員方面的原因所致,設計人員并未全面考慮土木工程建筑建設各個方面的要點,也并未對有關方面的作用力展開全面性考慮,造成土木工程建筑結構設計工作存在著明顯的偏差,致使力學平衡被打破,隱埋下多種多樣的安全隱患。另外,測量技術和機械設備落后,這同樣也會造成力學荷載計算出現偏差,所以提高專業技術和測量水平是土木工程建筑結構設計中勢在必行的舉措。

4 土木工程建筑結構設計優化

4.1 施工圖紙設計科學性

房屋建設要以圖紙為依據,進行房屋設計時,一定要重視圖紙的設計。通過圖紙設計,滿足建筑結構功能需要,對施工結構設計重視,形成科學合理的布局,完成好圖紙落實工作,進一步提高建筑物的質量。要通過規范科學的驗證公式,提高數據應用能力,對房屋的結構進行相應分析,確保施工圖紙設計更加科學有效。圖紙設計要與現場相協調,充分考慮當地自然環境、氣候條件、地質水文、周邊地貌、房屋地址等各項內容進行詳細勘察和分析,標注到建筑圖紙上,為施工提供科學依據。當前,隨著技術創新發展,一些高精設備應用到了圖紙設計工作中,例如,房屋建筑結構設計時,會使用到智能系統,對智能系統CAD進行應用,形成仿真性的擬態化數據信息,減少人力勞動,提高數據的計算精準性,有效減少誤差,為后期的房屋建設提供強大支撐。

4.2 基礎選型的合理性

在建筑基礎選型的過程中,應該對建筑結構設計特點加以高度重視,注重結構設計的質量性與合理性,確保結構設計與地基結構承載力相適應;或者是以結構的功能和要求為依托來合理選型,對結構的抵抗能力和受力均衡性加以改善。同時設計人員要加強對工程現場的勘測,尤其是施工現場的環境情況和地質情況勘測等,并根據建筑物的外形要求進行基礎選型;或者是積極與施工人員進行溝通,及時調整建筑項目的實施,促使項目設計方案與實際需要相符。只有在基礎選型環節注重協調性、質量性、合理性,才能避免結構承載質量差異的發生,促使地基結構在建筑結構中具有較好的強度和穩定性。

4.3 設計牢固性與耐久性

建筑物耐久性的設計是結構設計的重要環節,也是建筑物安全系數加以反映的可靠指標,主要指的是混凝土的使用年限久或能無故障地長時間使用。對此,設計人員在建筑結構設計的過程中要立足實際,綜合考量土壤酸堿度、空氣干濕度、凍融、環境溫度等外界因素帶來的影響,意識到地質承載能力對結構設計耐久性和牢固性的重要作用,制定行之有效的設計方案,并對方案的確定、技術和材料的選擇等方面予以高度關注,以免因結構牢固性和耐久性差而造成嚴重的經濟損失或資源浪費。同時設計人員要優化混合和配合比的設計,并針對建筑施工現場的情況進行砂石質量的合理調整,保證配比的科學性;或者是以施工規范和建筑設計為依托,對結構的保護層予以適當加厚,促使結構厚度與周圍環境情況相符。當然如若條件許可,設計人員可以對建筑物的周邊環境因素展開調研,結合建筑結構形式進行相應區域的區分,明確待建保護層的厚度,延長碳化時間。

4.4 保障計算的精確性

房屋設計需要土木工程建筑設計師與結構設計師密切配合,土木工程建筑設計是前提和基礎,要為結構設計創造條件,要充分重視建筑設計和結構設計過程。土木工程建筑設計與結構設計就像一枚硬幣的正反面,相互依存、缺一不可。雙方必須密切合作、相互配合。土木工程建筑的強度、剛度、穩定性涉及結構的安全,所以房屋的結構設計必須由結構設計師經過受力分析、計算,得到相關內力數據(軸力、剪力、彎矩)并據此進行構件的強度、剛度計算,從而設計出結構施工圖。要高度重視結構安全,尊重結構設計師,尊重結構設計師的專業建議和勞動成果。而不是忽視結構工程師,把結構工程師的工作看成可有可無。房屋結構設計要認真嚴謹,以數據為基礎,確保精準性,對每一個部位都要科學設計,對于重點部位要強化設計管理。

4.5 計算機信息技術的應用

基于現代化信息技術的迅猛發展,在土木工程建筑結構設計中,要探索利用建筑信息模型技術優勢處理各項工程信息數據,建立相對完備的工程信息數據庫,便于設計人員、管理者隨時查詢信息工程信息,提高結構設計的實效性。建筑信息模型技術是當代建筑結構設計領域的技術產物,有效實現了多種信息的整合和處理。具體應用在土木建筑結構設計中,能減少工程信息數據偏差和人為操作失誤概率,提升設計內容的合理性,提高工程信息數據的精準度。同時,建筑信息模型技術的應用能將各專業的信息呈現在一個模型中,能讓項目更為直觀、一目了然,加強各專業之間的信息關聯和融合性,有效避免各專業因對接協調不暢而導致的設計沖突。相信不久的將來計算機信息技術還可以為建筑設計人員提供一些設計思路,例如人工智能加快融入結構設計后,結構方案模擬更便捷與智能化,或許能大幅度減少設計人員的工作量,大大提升結構設計的效率和可靠性。

結束語

土木工程建筑結構設計不僅對土木工程整體建設效果有著決定性的作用,而且還與人民群眾的生命安全息息相關,對社會能否得到和諧發展有著至關重要的影響。因此,對于現階段土木工程建筑結構設計的基本現狀,有關工程企業要有相應的解決方案,強化土木工程建筑建設的安全性、適用性、耐久性,降低土木工程建筑建設期間的各項安全隱患和質量隱患,為居住者創建安全、舒適的居住環境,進而推動土木工程行業健康、持續發展。