建筑結構優(yōu)化設計方法探討

文／江峰 浙江華藝建筑設計有限公司 浙江杭州 310014

孫濤 浙江華藝建筑設計有限公司 浙江杭州 310014

引言：

隨著社會發(fā)展和人們對建筑品質要求的提高，建筑結構優(yōu)化設計成為建筑設計領域中一項至關重要的工作。建筑結構優(yōu)化設計旨在實現建筑結構的最佳性能，包括提高結構的安全性、經濟性和可持續(xù)性，結構優(yōu)化設計在實際應用中具有廣泛的意義和價值。由于結構的復雜性和多樣性，使優(yōu)化設計面臨許多挑戰(zhàn)，首先，建筑結構設計目標多樣化，涉及到多個指標的平衡。建筑結構既要滿足承載力要求，還需兼顧材料成本和施工難易。其次，建筑結構設計還需考慮多種因素相互影響，如荷載、材料性能和施工工藝等。這些因素之間的復雜關系導致結構方案的復雜性和不確定性。由于傳統(tǒng)結構設計方法存在一定的局限性，越來越多的研究和應用開始關注結構的優(yōu)化設計技術。本文針對這一現狀，就建筑結構選型和結構構造優(yōu)選等問題作了一些探討，為以后工程實踐提供借鑒。

1.建筑結構優(yōu)化設計的必要性

1.1 推動建筑技術和質量的發(fā)展

建筑結構設計是建筑設計的重要環(huán)節(jié)，其優(yōu)化設計直接關系到建筑的質量、功能和效益。隨著科技不斷進步，建筑結構設計優(yōu)化的理念和方法也在不斷發(fā)展。通過綜合運用新的結構體系、新的建筑材料和新的設計理念，對建筑結構進行優(yōu)化設計，使建筑具有更高的使用價值和經濟效益。

近年來，建筑結構設計優(yōu)化已在建筑技術各個方面展現出顯著的優(yōu)勢。例如，通過對建筑結構進行抗震優(yōu)化設計，提高建筑的抗震性能，減少地震災害影響；通過對建筑結構材料優(yōu)化設計，降低建筑總重量，提高結構的自重比和承載能力；通過對建筑結構節(jié)能優(yōu)化設計，可以提高建筑保溫隔熱性能和自然通風性能，提高建筑的能源利用效率[1]。

建筑結構優(yōu)化設計除了在建筑技術方面具有顯著優(yōu)勢外，還可以提高建筑質量和效益。例如，通過對建筑結構進行耐久性優(yōu)化設計，提高建筑的使用壽命和維修周期；通過對建筑結構經濟性優(yōu)化設計，降低建筑建設成本和運維費用。

隨著計算機技術不斷發(fā)展，數值計算和計算機輔助設計已成為結構設計優(yōu)化的重要工具，未來可以進一步開發(fā)更為高效和智能的優(yōu)化算法，提高優(yōu)化設計的效率和精度。

1.2 滿足多樣化的建筑審美要求

隨著生活水平的不斷提升，人們越來越注重精神層面的滿足，建筑結構設計也需要滿足多樣化的結構審美需求。在結構藝術性設計上，首先需要考慮到建筑功能，如果建筑用途較為特殊或者是所在的地區(qū)較為特別，需要提前考慮建筑應具有功能需求和文化底蘊，通過對建筑結構進行美觀性優(yōu)化設計，增加建筑的功能性、觀賞性和藝術價值。其次，需考慮使用者對建筑空間和建筑造型的審美訴求，結構設計應滿足使用者需要，提升建筑使用過程中的幸福感和歸屬感[2]。

2.影響建筑結構選型的主要因素

2.1 建筑所處環(huán)境

對建筑結構方案選型設計過程中，在掌握基本資料后，還需從多個目標與多個層次進行創(chuàng)造性設計。建筑物所在位置的自然環(huán)境條件是重點考慮的因素，是基礎選型、承重結構體系確定的重要依據。結構設計還需要對結構構件裸露部分進行保護、裝飾加工，實現建筑結構、空間藝術形象與周邊環(huán)境融為一體，將建筑物與環(huán)境之間的和諧之美體現出來。

2.2 建筑高度和功能

建筑結構選型與建筑高度和建筑功能有著密切的關系，結構是建筑物的骨架，支撐著整個建筑重量。首先，建筑功能作為設計的出發(fā)點和目標，對建筑結構選型和設計起著重要的指導作用，建筑功能的實現需要結構選型的支持。例如，對于大空間、高凈空的商業(yè)建筑，需采用大跨度的結構形式，對于需要承受較大荷載的工業(yè)建筑，需要采用高強度、耐腐蝕的結構材料和結構形式。根據建筑特定功能，結構工程師選擇不同的結構類型和系統(tǒng)，以滿足功能上的要求。其次，結構選型對建筑功能的實現也產生重要影響，不同的結構類型具有不同的特點和性能，會對建筑的使用功能產生直接影響[3]。例如，大跨度的鋼結構可以在沒有中間柱子的情況下提供廣闊空間，非常適合展覽館和劇院等需要靈活布局的場所，而混凝土結構則具有良好的耐久性和經濟性，適用于辦公樓、圖書館等建筑。在建筑結構選型過程中，需要充分考慮建筑功能的要求，確保結構能夠滿足功能的實現。

2.3 建筑材料

新型建筑材料的出現對結構體系創(chuàng)新發(fā)展有深遠的影響，新建筑材料的出現，使原先傳統(tǒng)的結構形式得到改變。新材料通常具有更好的結構性能，如高強度、高剛度、高韌性等，這些優(yōu)質特性使得結構體系能夠更好地承受外力作用，提高了結構的安全性和可靠性。輕質高強新材料的應用使結構設計具有更大的靈活性，可以實現更復雜的結構形式，滿足多樣化的設計需求。新材料通常具有較低的碳排放和更好的環(huán)境適應性，可以減少對環(huán)境影響，提高結構的可持續(xù)性。新材料使設計更加靈活、結構性能更優(yōu)越、施工工藝更先進，并促進了建筑環(huán)境可持續(xù)性的提升。

3.建筑結構選型分析

3.1 框架結構

框架結構體系由梁、柱和樓板等組成，梁柱之間剛接構成受力體系，其特點是自重輕，整體性能好，造價低廉，柱網布置靈活，空間利用率高，便于施工等。但其抗側移剛度較小，地震水平位移較大，節(jié)點處應力集中，易受不均勻地基沉降的影響。從框架結構抗震性能可以看出，隨著高度的提高，底層柱子軸力、水平荷載產生的彎矩會顯著提高，造成柱子截面尺寸和配筋過大，對空間利用率和經濟效益產生不利影響[4]。根據震害調查，框架結構在地震作用下，會出現非結構構件損壞較多，因此，其使用高度受到限制，一般應用于10 層以下的建筑，在高地震烈度設防區(qū)，層數大于5 層的建筑就不宜選用鋼筋混凝土框架結構。

3.2 剪力墻結構

剪力墻結構是利用現澆的鋼筋混凝土墻體來承受豎向荷載和水平荷載，主要特點是整體性好、側向剛度大、水平力作用下側移小，建筑高度通常可達100 多米。由于剪力墻布置需要，限制建筑大空間設計，只適用于小空間建筑，如住宅、賓館、宿舍等。剪力墻體系有短肢剪力墻結構和一般剪力墻結構，短肢剪力墻結構是指墻肢的長度為厚度的4-8 倍，墻體結合建筑平面布置，基本上不與建筑使用功能發(fā)生矛盾，墻的數量可多可少，肢長可長可短，墻肢設于建筑分隔墻平面內，隱蔽性好，在住宅工程中大量使用。

3.3 框架剪力墻結構

框架剪力墻結構是一種常用的結構形式，它結合了框架結構和剪力墻結構的特點，既能提供良好的抗震性能，又能形成較大的建筑空間。該結構體系由框架和剪力墻組成，框架承擔垂直荷載為主，剪力墻承擔豎向荷載和水平荷載。這種結構體系能將地震荷載有效地傳遞到地基，確保建筑的穩(wěn)定性和安全性。相比于傳統(tǒng)的框架結構，框架剪力墻結構能夠更好地控制結構側向變形，提高抗震性能。框架剪力墻結構還具有較好的空間利用率，由于框架的存在，建筑內部空間布置自由靈活，特別適用于需要局部大空間的高層建筑。

3.4 筒體結構

筒體結構廣泛應用于高層或超高層建筑，由一個或幾個密柱形筒體構成高聳空間抗側力及承重結構體系，該結構具有整體性好、側向剛度大、水平力作用下側移小等優(yōu)點，但也有不能提供大空間、對小高度建筑橫向剛度偏大等缺點。與傳統(tǒng)結構相比，筒體結構可建造流線型和曲面化的建筑形態(tài)，具有更好的空間感和美觀性。由于筒體結構的特殊形態(tài)，具有較高的空間利用率，內部空間設計自由靈活，特別適用于設計要求靈活的建筑項目。在現代高層建筑中，這種結構類型被廣泛應用，比如，美國芝加哥的約翰·漢考克大廈、西爾斯大廈、標準石油公司大廈和紐約的世界貿易中心大廈等，都是筒體結構建筑的典型代表。

4.建筑結構優(yōu)化設計措施

4.1 基于建筑類型優(yōu)化設計

不同功能的建筑對結構要求不同，進行結構優(yōu)化設計時，根據建筑的功能進行相應的考慮和調整。住宅建筑根據戶型布置，合理調整結構墻柱網格、樓板布置等，以獲得最優(yōu)的空間布局和使用效率，根據建筑高度選擇框架結構、剪力墻結構等結構體系，并優(yōu)化結構連接方式和構造細節(jié)，提高抗震性能和安全性[5]。商業(yè)建筑根據建筑功能需要一般采用框架結構、桁架梁結構形成開放的大空間，局部布置剪力墻等措施增強結構穩(wěn)定性，提高抗風抗震性能。教育建筑對抗震性能要求較高，需采用減震技術，如抗震支撐、減震器等，提高結構的抗震性能和安全性。在進行不同功能建筑的結構優(yōu)化設計時，需綜合考慮建筑功能、使用情況、地理環(huán)境和經濟性等因素，確保結構的安全性、舒適性和經濟性。

4.2 基于建筑高度優(yōu)化設計

有些城市重點區(qū)域，需要對建筑高度進行控制，為滿足容積率最大化要求，一般建筑層高較小，結構設計需要結合層高對樓蓋構件進行優(yōu)化設計。采用鋼混凝土組合樓蓋體系就是很好的選擇，該體系不僅施工方便、綠色節(jié)能，還可有效降低構件高度，滿足建筑使用凈高要求。有些建筑由于中庭空間造型需要，各個樓層交錯布局，使用鋼混組合樓蓋體系，可以有效解決傳統(tǒng)支模的問題。目前建筑工業(yè)化大力推進，逐步推廣建筑結構構件在工廠完成加工后運到施工現場拼接安裝，鋼混組合樓蓋體系是一種很好的選擇，它不僅便于預制加工，提高施工效率，同時還可以減少施工過程中產生垃圾，綠色環(huán)保。

4.3 基于建筑荷載優(yōu)化設計

建筑荷載優(yōu)化設計是一種在建筑結構設計過程中，通過對建筑物承受的荷載進行分析和計算，以優(yōu)化結構的形態(tài)和材料使用，達到最佳結構性能和經濟效益的設計方法。設計主要考慮的是如何將結構的承重能力、穩(wěn)定性、安全性等因素相互融合，以實現建筑物在承受各種不同荷載條件下的優(yōu)化設計。首先，要根據建筑物的使用功能，分析建筑物可能承受的各種荷載，比如靜荷載、動荷載、風荷載、地震荷載等，以及這些荷載在不同工況下產生的各種組合效應。其次，要根據建筑物的結構形式和特點，選用合理的結構體系和計算模型，比如有限元分析法、矩陣位移法等，對結構進行詳細的受力計算分析和優(yōu)化設計，提高建筑物的整體受力性能和安全性，達到優(yōu)化設計的目的。優(yōu)化設計還要考慮結構的經濟性和耐久性，采用合理的材料和構造措施，比如采用新型高強輕質材料、鋼結構、預應力技術等，以提高建筑的承重能力和使用壽命。

4.4 建筑結構與外觀協(xié)調優(yōu)化設計

結構設計與建筑外觀的協(xié)調性是指在建筑設計過程中，結構設計與建筑外觀之間的相互關系和協(xié)調。結構體系和建筑外觀是建筑設計的兩個重要方面，設計過程中需要結構工程師與建筑師之間密切配合，以實現建筑整體空間和外觀的一致性。結構設計中要考慮結構形式與建筑外觀的契合，兩者之間應存在相互呼應關系，如建筑外觀呈現流線型或曲面化的形式，那么結構設計應該采用適合的曲線或彎曲的結構形式，形成一種統(tǒng)一的整體形象。結構材料與外觀裝飾材料也要搭配，如果外立面采用玻璃幕墻，那么結構設計應選擇能有效支撐玻璃幕墻的結構形式，以保證外觀裝飾的安全性和穩(wěn)定性。建筑結構構件的形象表達要考慮與建筑外觀協(xié)調，結構設計通過合理的構造處理，使結構成為建筑外觀一部分，而不是隱藏在建筑外裝飾內，可以通過懸挑結構、拱形結構等方式突出結構的美觀性和特點。結構設計和建筑功能之間也需要協(xié)調，如果建筑需要大空間，那么結構設計應該考慮跨度較大的結構形式，以滿足大空間功能需求。通過以上協(xié)調性考慮，可以使建筑結構設計與建筑外觀之間形成一種和諧統(tǒng)一的整體。

4.5 參與建筑方案優(yōu)化設計

建筑方案設計是建筑設計的重要階段，結構工程師在建筑方案設計階段應積極參與其中。結合結構設計需要，對建筑平面布置、建筑立面造型、柱網尺寸、合理安排設備管井等方面給出結構工程師的建議。在建筑方案設計階段結構工程師應著重控制幾個方面：根據地質資料，合理安排地下室范圍和功能布置，如開挖較深的部分盡量安排在地質條件差的地方；根據場地地形條件，配合建筑師調整各棟建筑的室內外高差；建筑平面盡量方正，橫平豎直，減少凹凸、轉角和開洞，控制每個結構單元長寬比，避免平面不規(guī)則，規(guī)則的建筑平面可以減少豎向抗側力構件的數量；建筑層高宜相近，層高相差大不利于控制相鄰樓層側向剛度比和受剪承載力之比，否則需增加抗側構件高度、提高豎向構件的抗剪承載力等措施才能滿足要求；建筑的外立面造型是建筑美的重要表現形式，盡量避免采用混凝土結構來實現建筑立面線條、構架等造型，建筑美的塑造可以通過立面材料的選擇、建筑配色等手段來實現，輕巧優(yōu)美且經濟合理；設備管井及建筑豎向交通梯是建筑不可缺少的部分，豎向交通體及設備管井盡量布置在同一區(qū)域，既節(jié)約建筑空間，又有利于結構布置[6]。

4.6 結構布置優(yōu)化設計

結構體系應結合建筑功能和建筑高度合理選型，根據建筑使用功能合理布置柱網和抗側力構件。當結構單元超長時，除考慮常規(guī)荷載外，還必須考慮溫度應力對結構的影響，通過合理設置變形縫控制每個結構單元總長度，減少溫度應力作用。建筑要控制平面長寬比，長寬比過大容易產生端部位移過大。建筑還要控制高寬比，高寬比會直接影響建筑整體抗傾覆能力，高寬比增大，在水平荷載作用下傾覆力矩和結構側向位移會快速增大，過大的高寬比對整體傾覆和頂點位移不利。設計要避免結構豎向不規(guī)則，結構剛度和承載力從下到上要連續(xù)均勻分布，豎向體型宜規(guī)則均勻，避免過大的外挑和內收，盡量避免豎向體型突變形成薄弱部位。結構平面要規(guī)則，盡量避免形成大尺寸的凹凸和開洞，建筑平面突變部位都是結構受力的薄弱點，需增加結構加強措施。

結構設計要根據建筑功能和建筑平面選擇合理的豎向構件布置。柱網布置直接影響樓屋蓋設計的合理性和經濟性，柱網過大則主梁和柱截面尺寸會增大，柱網過小雖可以減小梁柱截面尺寸，但會影響建筑使用功能。建筑層高應根據功能要求合理選擇，結合建筑功能需要結合柱網、梁高、設備管線高度、吊頂高度、樓地面做法等因素綜合考慮。

4.7 優(yōu)化水電管網

水電管網是房屋之中一項不可或缺的組成成分。很多時候房屋的建設也需要考慮到水電管網的布局以及具體的使用。隨著當下房屋建筑的規(guī)模越來越大，對于設計精度的要求越來越高，水電管網的布局優(yōu)化也是一項非常重要的問題，因而在房屋設計的過程之中，需要考慮到水電管網的布局優(yōu)化問題。針對于水電管網提前設計好一套相應的方案，盡可能減少水電管網對于建筑整體設計以及建筑內部外部藝術審美的影響。

4.8 結構抗震優(yōu)化設計

結構抗震優(yōu)化設計是通過優(yōu)化結構類型、材料、連接方式等，以提高結構抗震性能的設計方法。優(yōu)化設計的目標是在滿足建筑功能和經濟性的前提下，最大限度地提高結構的抗震能力，以確保建筑在地震發(fā)生時有足夠的安全性和穩(wěn)定性。抗震優(yōu)化設計通常需要考慮合理的結構類型選擇，設計應根據設防烈度、建筑類別、建筑高度、地基土類別選擇適合的結構類型，并進行結構優(yōu)化設計。抗震優(yōu)化設計要考慮結構材料的選擇，結構材料對抗震性能具有重要影響，常見的結構材料包括混凝土、鋼材、復合材料等，根據抗震設計要求，選擇適當的材料，并進行材料的性能測試和評估，以確定材料抗震性能和使用限制。結構連接方式對結構抗震性能有重要影響，連接方式是否合理直接影響建筑安全，合理的連接方式可提高結構延性，有效傳遞地震力，設計應根據結構特點，選擇合適的連接方式，并進行優(yōu)化設計。結構局部細節(jié)處理是抗震優(yōu)化設計的重要部分，局部細節(jié)優(yōu)化處理能大大提高結構抗震性能，通過合理的構造設計和局部加強措施，如增加剪力墻端柱的截面尺寸、加固連接節(jié)點等是抗震優(yōu)化設計的主要內容。

結語：

建筑結構優(yōu)化設計是提高建筑質量和效率的關鍵環(huán)節(jié)，在進行優(yōu)化設計過程中，必須要確保結構安全，通過對設計關鍵點的把控，確保結構設計既滿足安全性又滿足經濟性要求。設計應考慮更多的優(yōu)化目標，除了安全性、適用性和經濟性外，還有許多其他因素如環(huán)保性、節(jié)能性等也需要考慮，以實現更為全面的優(yōu)化設計。