建筑結構設計技術優化的研究與應用

李木子

（唐鋼國際工程技術有限公司，河北唐山 063000）

1 引言

通過建筑結構設計技術優化不但可以有效提升建筑質量，繼而保證建設單位或者建筑使用者對質量的需求，而且還可以行之有效地降低工程總造價，提升建筑項目的綜合效益。基于此，建筑結構設計優化得到了建筑從業者的高度重視。

2 建筑結構設計技術優化要點

2.1 建筑基礎結構設計優化要點

建筑基礎結構設計是建筑結構設計的關鍵環節，建筑基礎設計質量直接影響著建筑總體質量，也是建筑主體結構穩定性的主控因素。基于此，在建筑基礎結構設計過程中，建筑設計團隊除了要總結自身團隊的設計經驗，還要與建筑基礎施工團隊保持密切聯系和有效溝通，廣納建筑基礎結構設計與施工方面的專業人士的建議，最終確定一個適應項目本身的基礎結構設計方案[1]。比如，近年來，建筑結構設計中對抗震墻的關注比較多，因為建筑抗震能力除了與抗震墻建筑要求有關外，還與建筑結構頂部和建筑結構底部的協調性有關。因此，在建筑結構設計過程中，除了要考慮抗震墻的建筑要求外，還要考慮建筑基礎結構設計形式對抗震墻施工的影響，從而對建筑基礎結構設計進行科學合理優化。

2.2 建筑整體結構設計優化要點

建筑工程整體結構設計質量和總體結構設計水平對建筑工程結構各個方面都會產生深遠影響，如建筑結構抗震能力、抗剪能力以及建筑資源消耗情況等都與建筑工程整體結構設計質量息息相關。基于此，在建筑整體結構設計過程中，要不斷吸取同類型項目的設計經驗，依據建筑項目設計規范要求，對建筑設計方案進行針對性技術優化。目前，我國建筑整體結構設計過程中較為常見的建筑整體結構類型主要包括建筑框架結構、建筑短肢剪力墻結構以及建筑框剪結構等。其中，建筑框架結構設計過程中對截面柱墻體結構的需求量較大，這些規模不小的截面柱結構對建筑工程內部空間利用率造成了一定影響。建筑短肢剪力墻結構既能有效提升建筑結構抗震性能，又能充分降低建筑工程材料的使用量。在這3 種建筑整體結構中，建筑框剪結構的應用范圍最廣，建筑框剪結構的抗震性能和抗剪能力都比較突出。由此可見，無論是建筑框架結構還是建筑框剪結構都具有各自的結構優勢，建筑設計從業者要根據建筑產品的用途和建筑工程實際情況，對建筑結構設計涉及的不同因素進行系統全面的分析研究，對建筑結構設計方案進行科學合理的技術優化。通過建筑整體結構設計優化，不但可以提升建筑結構整體穩定性和使用安全性，還能有效降低工程總造價，提升建筑工程的經濟效益和社會效益。

2.3 建筑細部結構設計優化要點

建筑結構設計技術優化還包括建筑細部結構設計優化。在建筑結構設計中的異形結構設計環節要使用多個矩形板進行拼接，繼而達到提升結構受力平衡的目的。此外，運用多個矩形板拼接方式來控制結構拐角縫。與此同時，在建筑框架抗震墻設計過程中，需要使用冷軋帶肋鋼筋，為了便于后續現場施工作業和降低整體工程造價，在設計環節需要將冷軋帶肋鋼筋數量控制在合理范圍內。建筑結構細部設計優化過程中，為了實現建筑細部結構設計的可視化，通常采用三維仿真模型軟件進行仿真模擬，確保建筑細部結構設計的準確性。

3 建筑結構設計的優化技術措施

3.1 概念設計優化技術措施

不同建筑設計師對建筑結構的理解不盡相同，即便是同一個設計團隊的設計師對建筑結構的理解也不盡相同。為了確保建筑結構設計的統一性，設計團隊應該在設計前對建筑所在區域進行實地調研，掌握一手設計資料，對建筑結構設計的概念進行集體討論，對建筑材料設計標準和相關設計參數進行集中討論。在對建筑結構概念相關內容進行討論時，除了設計團隊內人員參加外，還應邀請建設單位相關人員參加，力求建筑結構設計在概念階段達成一致。建筑結構設計前期內容討論的質量和完善程度可以有效提升建筑結構設計質量和建筑結構設計效率，也充分降低了因建筑結構設計概念和設計方案內容模糊不清而導致的后續施工進度延誤情形發生的概率。此外，在建筑結構設計概念確定過程中，引入不同建筑主體參與系統性討論，能有效提升不同建筑主體對建筑結構設計屬性的認知，并加深了不同結構主體對建筑項目的理解，在遇到實際問題時可以與設計人員進行及時有效溝通，確保建筑結構設計質量。

3.2 建筑安全結構技術優化措施

建筑結構設計的安全性是建筑結構設計的核心要素。建筑物或者構筑物是人們生產生活的主要場所，結構安全性自然是所有建筑使用者最關心的問題，結構安全性也是建筑設計者首要考慮的問題。在建筑結構設計過程中要將結構安全第一的理念融入設計中，持續提升建筑結構整體設計質量。基于此，建筑結構設計團隊要充分了解建筑所在地的自然環境，科學分析自然環境對建筑結構安全的影響，特別是對連續降雨或者季節性降雨較大區域要充分考慮到降雨對建筑主體的不利影響，在設計過程中采用必要的應對措施。與此同時，建筑設計團隊還應考慮地震等特殊自然災害因素對建筑結構設計質量的影響，采取行之有效的措施確保建筑結構在特殊自然災害中仍然具有一定的抵抗能力。換言之，在建筑結構設計過程中要將抗震等因素考慮進去，確保建筑結構在極端自然災害面前仍具有一定的抵抗能力。

3.3 建筑主體結構技術優化措施

建筑主體結構優化設計技術主要是指建筑剪力墻結構技術優化和建筑混凝土結構技術優化。建筑剪力墻結構是建筑物整體穩定性的基石，建筑結構設計團隊應在確保結構體的分布均勻且建筑結構內部有足夠的使用空間的基礎上，利用剪力墻結構的合理設置來提升建筑結構的整體穩定性。

4 建筑結構優化技術應用需要注意的問題

4.1 現代化技術的運用

建筑結構設計過程中要充分調動各類先進的現代化技術，利用現代化技術輔助建筑結構優化設計，促進建筑結構設計高質量發展。建筑結構設計過程中，設計人員可以充分利用計算機輔助設計軟件、大數據信息以及BIM 等先進技術來提升建筑結構設計質量。建筑結構設計人員可以通過BIM 技術來模擬建筑結構的設計細節，通過可視化技術更為直觀地觀察到建筑結構設計的每一處細節，根據建筑結構的具體情況和建筑實際使用需求，對建筑結構參數進行科學優化，繼而提升建筑結構的整體設計質量。

4.2 內部結構優化

建筑結構分為建筑外結構和建筑內結構。建筑設計人員在設計過程中將主要精力放在了建筑外部結構設計方面，建筑結構優化也是主要對建筑外部結構的優化，而對建筑內部結構的優化則沒有給予足夠的關注。沒有對建筑內部結構進行優化，導致建筑結構優化效果減半，導致建筑結構優化質量的提升受到限制。基于此，要從建筑結構內部和外部的每一處細節進行優化設計，盡最大努力提升建筑質量，從多維度考量建筑設計參數優化問題，有效提升建筑結構設計質量[2]。

5 優化技術在建筑結構設計中的應用

現階段，建筑結構以框架結構居多，本文以某框架結構建筑為背景案例，分析建筑結構優化設計在建筑框架結構設計中的具體應用。

5.1 工程實例

某工程建筑項目為多層商業建筑，建筑形式為框架結構，建筑層數為地上3 層，建筑高度為12.3 m，建筑基礎埋深1.5 m，建筑基地壓力設計值為120 kPa。根據GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》（2016 年版）規定，建筑抗震設防烈度為7 度，設計基本地震加速度值為0.15g（屬第一組）。通過對勘察孔號為7#、17#、35#、47#、46#、63#、69#、73#鉆孔中采用單孔檢層法進行了土層剪切波速測試，測深均為20.00 m。根據波速測試結果分析：場地自然地面下20.00 m 深度范圍內，地基土等效剪切波速值分別為229.9 m/s、219.9 m/s、223.0 m/s、220.6 m/s、219.2 m/s、228.5 m/s、226.7 m/s、221.7 m/s，場地覆蓋層厚度dov＞50.00 m，根據GB 50011—2010 《建筑抗震設計規范》（2016 年版）第4.1.6 條規定，建筑場地類別為Ⅲ類，屬可進行建設的一般場地。多層商業設計使用年限50 年，多層建筑的風壓和雪壓數值均為0.35 kN/m2。

5.2 框架結構建筑優化設計

5.2.1 建筑基礎優化

多層商業建筑的天然地基承載力能滿足要求時，可考慮采用天然地基，但應考慮②層黃土狀粉土和③層黃土狀粉質黏土的濕陷性影響。根據常規經驗可知，建筑地基基礎的造價占建筑總造價的15%左右，所以優化建筑基礎設計方案對降低工程總造價有一定促進作用。考慮天然地基具有一定的濕陷性，建議采用換填處理，也可采用擠密夯實水泥土樁進行地基處理，以④層粉土或⑤層粉細砂為樁端持力層。

5.2.2 建筑框架梁優化

該多層商業建筑的主要構成部分為框架梁，換言之，框架梁的整體質量影響著該多層商業建筑的質量，所以通過框架梁的設計優化既可以有效提升多層商業建筑的結構質量，又可以充分降低多層商業建筑結構的總造價。多層商業建筑框架梁的優化要在設計允許的基礎上進行，所有的優化不能偏離設計基礎，依據建筑實際情況和相關設計規范要求，該多層商業建筑框架的截面跨度應≥220 m，多層商業建筑框架的梁高跨比為1/10，多層商業框架梁的配筋率≥1.52%。

5.2.3 建筑框架柱的優化

該多層商業建筑框架柱距離為8 m，最初的結構設計中確定的框架柱尺寸有兩種，一種尺寸規格是0.5 m×0.4 m，另外一種尺寸規格是0.5 m×0.5 m，通過軸壓比計算方法計算了各項設計指標均符合該多層商業建筑需求。此外，對多層商業建筑框架柱進行雙偏壓計算，其計算結果依然符合工程建設質量要求。為了進一步優化多層建筑框架梁設計，將框架柱尺寸規格由原來的0.5 m×0.4 m 和0.5 m×0.5 m 優化成0.45 m×0.4 m 和0.5 m×0.45 m，并對優化后的規格尺寸進行軸壓比計算，通過計算結果可知，優化后的框架柱尺寸規格符合多層商業建筑質量要求。多層商業建筑框架柱結構尺寸優化后，將框架梁的鋼筋含量從原設計的20%降低到了優化后17%，在滿足建筑質量要求的前提下，降低了工程總造價，提升了該多層商業建筑的經濟效益和社會效益。

5.3 多層商業建筑優化效果分析

通過對該多層商業建筑框架梁規格尺寸的優化和建筑地基基礎處理形式的優化，建筑整體用鋼筋量減少，優化后的建筑鋼筋用量減少了12%左右，充分降低了該多層商業建筑的施工成本。由此可見，該多層商業建筑結構優化所選擇的優化點：建筑基礎設計優化、建筑框架梁優化和建筑框架柱尺寸優化是比較正確的選擇，既提高了建筑結構設計質量又降低了該多層商業建筑的整體造價。

6 結語

綜上，建筑結構設計中的技術優化種類較多，至于具體對結構設計中的哪部分進行優化，設計人員要根據項目具體情況進行綜合考量，要根據項目建設場地勘察資料制訂初步的建筑設計方案，并在此基礎上充分利用多種技術優化手段來提升建筑設計質量，降低工程造價，最終達到建筑結構優化設計的目的。