房屋建筑結構設計的經濟性及優化技術運用

文／牛超、朱秀偉 新泰市國土空間規劃服務中心 山東新泰 271200

引言：

我國對建筑結構設計方面的研究起步較晚，雖然近些年取得了一定的成就，但受到許多因素的影響與制約，其設計水平和實際使用效果還存在著一些問題。因此，計算與分析建筑結構的可靠度是十分重要的一項工作。國外主要從以下幾個方面來考慮建筑結構設計的可靠度：（1）建筑物對抗震性能的要求較高，這也是建筑設計最大的特點；（2）在設計時，設計人員需要充分了解建筑工程的具體情況，并且根據這些條件來確定合理的設計方案；（3）在選擇結構的剛度和強度時，設計人員不僅需要結合當地的氣候環境，還需要注意不同地區的差異性，從而保證建筑的安全性與穩定性。目前，國內關于高層建筑抗震性的相關研究較少，對大型民用建筑的抗震性研究更是少之又少，這使得人們的安全意識淡薄。隨著人口數量的不斷增加，城市建設的規模越來越大，導致安全事故頻繁發生，這嚴重威脅了人們的生命財產安全。

1、房屋建筑結構與經濟性關系的處理

1.1 建筑結構設計與建筑設備之間經濟關系處理

建筑結構設計是建筑工程的核心框架，對于項目質量安全和功能優化起到了關鍵性作用。建筑層數的增加導致建筑設備增多，無論是電路設備還是排水管道的建設難度增加，所需的施工材料增多，導致工程項目成本變多，因此把控建筑層數的合理性，優化設計建筑結構，滿足人們的使用需求的前提下，分析大數據系數，從而進行科學的結構設計，實現經濟效益最大化。隨著建筑層數的增加，人們的用電需求和排水量也隨之增加，不僅在房屋建筑結構設計建設過程中造成成本增大，在后期的建筑使用中還會造成排水壓力，對于后期維護方面造成較大影響，因此科學的設計規劃對建筑工程的建設與使用都有重要意義。

1.2 建筑結構外觀和經濟關系處理

建筑結構不僅決定了建筑外觀和建筑形狀，并且還決定了建筑整體的穩定性和安全性，因此前期進行建筑結構設計時，要遵循安全合理性原則，根據建筑項目的用途和特點進行結構優化，其中圓形結構和方形結構較為常見，使得建筑每個部位受力均勻，能夠起到良好的承載支撐性，規避各類安全風險。若是考慮到外觀造型的美觀性，設計不規則的建筑外觀，需要加強建筑基礎結構的強化，提高結構強度，并設置剪力墻，提高建筑防震能力，有效避免在長期的風化和受力過程中造成墻面裂痕出現，提升建筑項目質量安全。

1.3 建筑部分結構與建筑層數經濟關系處理

建筑的部分結構與建筑層數之間也有著直接關系，隨著建筑層數的增加，建筑基層構件需要進行剛度和強度的優化，增加建筑基礎構件的規格，擴大基坑面積，增加基坑深度，采用鋼筋混凝土澆筑和支架固定結合的方式進行建筑本體的穩定，成本也會相對增加，超高建筑會導致建筑穩定性下降，因此加強建筑結構設計，設定科學合理的建筑層數，實現建筑項目利益最大化，保障建筑工程項目質量。房屋結構設計復雜也會導致整體成本增加，需要在后期裝修時耗費更多的材料，但是結構的合理性和舒適性是決定用戶滿意度的關鍵因素，也是決定房屋出售效果的核心要素。

1.4 建筑用地面積和建筑層數經濟關系處理

建筑工程項目所占面積基本確定，因此在面積恒定的基礎上，增加建筑層數就可以增加購買需要，高層建筑的層數越多，平均分攤的用地面積會越來越少。但是建筑層數過多，會導致建筑部分區域光照效果降低，導致部分樓盤的采光性較差，不能滿足人們的住房用房需求，對于部分樓盤的購買力下降，建筑成本上升，企業經濟效益較差。因此科學測量建筑之間的距離，根據太陽移動軌跡，進行樓盤朝向的設計，并根據光照角度進行樓間距的設計，不僅要提升整體建筑采光效果，還要保障住房的舒適合理性。

2、房屋建筑結構設計中優化技術的運用

2.1 房屋建筑結構優化技術的前期應用分析

加強企業對建筑結構優化技術的重視，在前期進行項目的多項分析，并且根據地形特點進行全面優化分析，科學進行建筑結構設計，確保建筑項目施工建設的可行性。在前期房屋結構優化方案設計中，要綜合建筑項目進行全方位設計規劃，對工程項目具有非常關鍵作用，后期建筑使用與前期設計息息相關，有效規避建筑安全風險，科學節約施工成本。在前期設計工作中要融合工程造價技術，將工程造價管理融入到工程全過程中，從前期設計到最終的質檢驗收階段都要進行充分的預算分析，將結構設計工作貫穿項目建設全過程，加強設計隊伍與施工隊伍之間的溝通協作，減少設計變更，降低成本浪費，保障工程在合理工期內完成。

例如，在現階段的房屋結構設計中，多數設計單位已經應用了BIM技術。此時，可以將房屋結構二維平面圖的電子版本導入到3D Revit 軟件之中，生成房屋結構BIM模型。為了保障整個房屋結構設計優化的可靠性，可以配合“族庫”設置，將結構設計數據代入到模型參數中進行驗證處理。同時，也可以將經驗值代入到模型中，比較設計值與經驗值條件下，房屋結構BIM模型差異。由于當前的房屋建筑工程項目中應用了工業設計思想中的產業鏈思維，創建了以設計、采購、施工、訂單、營銷、售后為基本環節的生產建設產業鏈條。因此，在應用BIM技術時，可以根據設計施工一體化體系搭建BIM技術信息平臺，使設計單位、施工單位、業主、監理單位在統一的BIM信息技術平臺上，通過信息交互、數據共享，實時的進行溝通，并結合協同合作機制，降低各方的糾紛與矛盾。尤其是在設計變更方面，應用BIM技術后，總項目、分項目、子項目、各個構件的BIM模型十分清楚。此時，即使發生設計變更問題，也可以根據BIM設計一體化體系，通過一次性的系統性變更，降低變更過程中花費的時間、人力、財力等，進而達到節約變更成本的目標。需要說明的是，在BIM技術應用過程中，能夠將生成的BIM模型導入到4D Navisworks 軟件，對施工進行可視化模擬，預測施工環節可能發生的問題，進而制定匹配的預防措施。

2.2 注重細節的優化處理

注重細節的優化處理，根據工程項目特點進行建筑局部的合理調整，確保整體建筑結構安全穩定，不會因為局部因素造成整體安全隱患出現。例如，在進行房屋結構矩形板的澆筑設計時，要注重矩形板規格的設定，根據建筑造型和結構進行矩形板幾何結構的設計，加強原材料的攪拌制作管控，使得原材料可以充分攪拌，精細化的制作流程避免氣泡產生，增強矩形板梁結構的堅固性，分二層澆筑保障結構的穩定性和安全性，確保矩形板能夠有較強預應力，實現對建筑內外的安全支撐，提升建筑結構的荷載力。

再如，當前房屋建筑結構設計中，隨著新材料、新工藝和新技術的運用，已經逐漸開始應用裝配式建筑。這種裝配式建筑的結構設計時，牽涉到預制件的制作。可是由于預制件規格大小不同，在預制件的設計過程中，要從結構設計的不同組成要素出發，進行整體設計、局部設計方面的比較與檢驗，盡可能保障整體設計與局部設計關系的一致性。從當前裝配式房屋建筑結構設計經驗看，樓梯預制構件、樓板預制構件、剪力墻預制構件等設計時，要將它們與整體建筑結構設計聯合起來，進行局部設計、整體設計方面的拼合檢驗。另外，由于裝配式建筑中的拼裝施工要求做到嚴絲合縫，所以，通常可以利用BIM技術進行裝配施工模擬，檢驗其是否達到設計優化目標。具體操作方面，要求使用BIM技術中的碰撞檢查功能，對各個連接位置的節點定位、連接數據、拼裝效果等進行全面檢驗與評估，確保裝配式房屋建筑結構設計方案的有效性以及在優化技術應用的條件下，提高其設計的經濟性，使其產出綜合效益。需要注意的是，在設計施工一體化體系之下，設計方面的科學技術與管理技術，一般采用融合應用方式。所以，在細節層面應用基于BIM技術的優化方案時，也應該配套的做好設計環節的管理。建議將結構優化設計管理與定額管理結合起來，保障裝配式建筑結構設計的經濟性及優化技術應用效用。

2.3 融合信息技術進行結構設計優化

傳統的建筑結構設計已經無法全面滿足現代建筑的需求，高層建筑工程項目需要進行分析的數據較多，人工分析會出現很多漏洞。因此加強信息技術在建筑結構設計中的應用，通過BIM系統進行前期的建筑模型設計，將建筑結構和整體建筑群之間的距離進行分析，實現建筑工程項目設計合理性與可行性，融合工程造價技術進行成本預算的精準化控制。設計部門通過CAD 進行建筑平面結構的設計，并進行數據的標注，再通過3D 模型的設計進行施工預演，分析施工的可行性，針對性的進行設計方案的修改，避免施工階段出現較為嚴重的設計變更，實現建筑設計的精準化。

具體而言，在當前的房屋建筑結構設計優化時，可以將CAD技術、BIM技術、數據庫技術、大數據技術全面融合起來，按照CAD—3DRevit—4DNavisworks——碰撞檢查的技術應用流程，進行全面而系統的結構優化。從當前實踐經驗看，應用上述技術時，可以配套選擇數據庫技術完成房屋建筑結構設計要素庫、結構設計指標庫(技術指標、成本指標),提高結構設計的精準性。同時，由于結構設計可以被劃分為多個部分的設計。此時，分部項目設計數量增多后要實時同步、統一管理，就需要應用大數據技術，使各個分部項目設計時可以實時的完成設計數據采集、數據上傳、數據存儲、數據抽取、數據分析、生成分析報告、下發分析報告、調整設計方案等。當前階段，在設計施工一體化條件下，可以將成本、質量、環境、文檔、資源、進度等專項管理，貫徹到設計、采購、施工、運維各個環節，保障在房屋建筑結構設計施工一體化方案實踐中，達到低成本投入、高技術融合應用目標。簡單講，應該積極發揮設計環節的引領性作用，使設計環節完成對后續各環節的系統性控制，并通過設計環節提高建筑產品的可營利空間等。

2.4 提高房屋建筑結構的耐用性及安全性

加強房屋建筑結構的耐用性分析，選用合適的材料進行建筑結構的施工建設，建筑結構框架是確保建筑安全穩定的核心部分，因此，加強房屋建筑結構設計優化，提升建筑的耐久性和安全性，科學減少材料用量，用鋼結構進行框架建設，用較輕的新型環保材料進行建筑體的施工建設，提升建筑外表的密度和強度，減輕建筑自身重量，在遇到地震或強風大雨時可以避免高層建筑的橫向剪切，提升建筑穩定性，提高建筑的抗震抗災實效性。通過優化建筑結構，采用先進的工藝進行結構韌性的提升，從而保障人們的生命財產安全，規避建筑安全風險。

2.5 建筑主體優化設計

建筑主體優化設計在房屋建筑結構當中占據重要比例和地位，其根本意義和作用在于使建筑整體更加科學精確，實施優化過程中，借助互聯網信息技術與3D 建模技術，模擬操作，使建筑整體形象更加生動可視化，借助模型了解建筑詳細參數和各項組成內容，針對不合理的情況，進一步整改并落到實處，避免在施工過程中出現誤差和損失情況。

通過這種優化，能夠節約大量的成本費用和建筑材料，墻體設計和使用更加符合實際情況，拓寬使用面積和空間，剪力墻優化設計應當符合實際需求，以穩定性和牢固性為基礎前提。混凝土材料在施工建設當中應用頻繁并且廣泛，建筑物的堅固性與牢固程度，與混凝土使用配比密不可分，在進行建筑主體優化設計時，混凝土配制比例需要進一步明確，混凝土施工、維護方案設計也要盡可能的詳細精確，確保混凝土施工建設科學合理，降低失誤和差錯現象的發生，避免重新返工等情況出現，設計人員應當高度重視這一問題。工程項目建設存在人員專業水平不夠高，工程質量無法得到徹底保障。

因此，建筑項目在整體優化設計當中，應當選擇專業人員和高素質人才進行保障，準確計算混凝土成分比例，確保配比科學合理，提高混凝土堅固性與牢固程度，保障房屋建筑的整體質量水平。混凝土澆筑工作結束后，需要加強混凝土維護保養力度，以混凝土施工質量為基礎，改善建筑整體質量和安全性能。

2.6 建筑結構設計可靠度試驗

建筑結構設計可靠度試驗是指在建筑結構設計中，檢測建筑結構的可靠度，并且根據測試結果來評價建筑結構的可靠度。

在施工時，建筑結構設計可靠度試驗是一項非常重要的工作內容，它能夠準確反映建筑的質量，同時也能為后期的設計工作提供參考依據。建筑結構設計可靠度試驗主要包括兩個方面：測量建筑結構設計的可靠度、評估和分析建筑結構設計的可靠度。在分析建筑結構設計可靠度時，設計人員可以利用可靠度計算方法來綜合評價建筑工程的整體質量和安全性能，從而為建筑結構設計提供可靠的參考依據。在實際工作中，在評估建筑的安全性和穩定性時，設計人員需要考慮各種因素，例如地震、水文、地質條件等因素（這些因素都會影響建筑物的使用年限）。因此，在設計過程中，設計人員需要充分利用相關理論知識，并且根據具體的情況確定最合適的方案以及措施，從而實現建筑工程效益的最大化。針對不同的設計方案，設計人員需要采取相應的保護措施，以防止發生安全事故，從而保證人們的生命財產安全。除此之外，一旦發生突發事件，設計人員需要及時解決，以免造成不必要的經濟損失。另外，設計人員必須嚴格按照規范要求來開展設計工作，避免因為人為因素而埋下安全隱患。因此，建筑結構設計可靠度試驗是做好建筑設計工作的重要保障。

結語：

房屋建筑結構需要根據項目的特點和市場指標進行設計，在項目前期設計階段，設計人員要對實地進行勘測，分析建筑施工的安全性和可行性，根據地形特點和土地面積進行針對化設計，科學合理的進行建筑結構設計，根據建筑高度進行間距規劃，保障房屋建筑每層的采陽效果。當前高層建筑逐漸成為行業內的主流，隨著建筑層數越來越多，建筑高度不斷增加，實現了土地資源的合理化利用。但是層數的增加，導致管道設備使用數量和成本增加，建筑基礎結構和地基都需要進行優化，使用的施工材料數量增多，成本也不斷上漲。因此科學合理設計建筑結構，根據建筑的用途進行層數的設定，并根據周圍建筑環境和生態環境進行高度和間距的設計，使得房屋建筑更加具備舒適性與合理性。采用新型環保材料，降低建筑自重，提高建筑的保溫效果和隔音效果，提升建筑結構的剛度，確保建筑結構安全穩定，促進建筑行業的健康態發展。