土建工程結構設計的優化技術研究

何靜

陜西國防工業職業技術學院 陜西 西安 710300

在傳統的住宅結構設計中，一般都會缺少優化環節，施工人員直接按照圖紙進行施工，而并不會考慮材料成本、實際住宅環境以及舒適性等一些因素，這將會直接影響到住宅用戶的生活體驗。如今，隨著社會的不斷發展，生活質量的逐步提升，結構優化調整技術也納入到了土木工程結構設計階段，其能有效的降低工程項目的成本，并調整施工用料、外形結構、建筑布局等，在方案設計的基礎上對整個工程結構進一步完善，從而提升建筑的經濟性、舒適性、美觀性和安全性。鑒于此，本篇文章就對土建構成結構設計的優化技術進行了簡單的探究與分析，希望通過本文的闡述與探究可以為相關探究人員以及工作人員提供一些理論性的借鑒。

1 土建工程結構設計概述

1.1 結構優化設計現狀分析

對于建筑工程來說，結構優化設計是不可忽視的，簡單來說就是要從施工特點、工程要求出發，對建筑機構、建筑體系加以合理選擇，同時要將高精度儀器的作用發揮出來，確保核算、應力分析更為準確，這樣一來，建筑結構設計方案會更加的詳細，專業水平也會得到提升。這里需要指出的是，建筑結構優化設計應該要和現行的法律法規相符，設計人員對此應該要有清晰的認知，只有結構設計能夠真正得到優化，后續施工才能有序展開，建筑質量方可大幅提升，成本也可控制在合適的范圍內。在對建筑結構進行優化時，尺寸、形狀、拓撲、布局、類型的優化均要加以重視，然而從國內的現狀來看，優化設計的起步相對較晚，存在的問題較多，如果未能解決的話，設計優化工作難以有序展開。首先是建筑工程優化設計的受重視程度雖然有一定程度提升，但是與此相關的法律法規并未構建起來，相關人員在展開設計工作時無法得到制度約束，如此就會導致設計工作顯得較為隨意，設計質量得不到保證。其次是我們國家現有的設計人才較少，設計經驗明顯缺乏，設計過程中就是圍繞理論來進行建筑結構設計，但是在建筑施工過程中卻發現和實際情況并不相符。最后是相關人員并未認識到結構設計的重要性，而且能夠獲得的參考資料非常少，如此就會使得設計過程出現較多變數，而且有不少的因素會產生約束，如果未能及時消除的話，建筑結構優化設計就會偏離正軌，后續施工面對的困難也就大幅增加[1]。

1.2 土建結構設計優化技術的必要性

從國外土建結構優化成功的案例來看，結構優化不僅能夠有效降低工程成本，提高工程質量，與此同時還可以進一步降低施工技術要求，增快工程進度，所以，結構優化工作在土建設計施工當中也是十分重要的[2]。在土建結構設計當中，結構優化一般都是尋找設計方案的缺陷與不足，并且進行完善或者是彌補設計方案，更進一步的優化措施，則是在原有的設計基礎之上，根據具體施工狀況，尋找更加合理科學的施工建設方案，例如，調整建筑構件尺寸、分析構件的應力與強度等等，科學降低一些用料的施工量，進而使得工程造價從技術層面降低，并且通過優化設計，也可以對一些工程項目的成本進行預估，從而使得工程資金得以正常運轉，防止工程款項短缺對工程進度造成嚴重影響。

2 土建結構設計原則

2.1 安全性原則

安全性能可以說是每一個建筑都必須具備，對于不同的區域以及不同的用途，其安全性能等級也會略有差別。安全性可以分為兩種：第一，施工中的安全，如若設計人員不注重施工的先后順序，就會有可能導致在建建筑構件倒塌，從而危害到施工人的生命健康；第二，用戶安全，有些建筑的安全性能沒有達標，在遭到一些地質災害或是意外情況，會致使建筑內的人民受到傷害，例如，在地震多發地區，房屋結構設計應該增強建設的抗震等級，臺風多發地區要增強建筑的抗風能力，而有些地區的溫度和濕度都會有很大差別，對土建的施工材料就會有一定的要求。

2.2 以人為本原則

現階段，大多數土建工程都是為人類的休閑、勞動、工作以及生活等活動提供服務的，所以，任何結構設計都需要充分遵循以人為本的原則[3]。對于生活休閑功能的建筑，相關設計工作人員需要充分掌握這一區域人民的生活習性，提供一些人性化的設計，而對于工作功能的建筑也分為多種，電子設備房、機械廠房以及辦公樓等等，都有各自的特點，有些需要增加隔音效果，有利于無線網絡的傳輸，而有些就需要通風、防火、防潮、便于電力傳輸等等。土建工程設計需要針對不同功能的建筑選用特定的方法，進而更為充分的發揮出建筑的功能性。

2.3 方案選擇原則

土建工程在結構設計和實際施工中，都需要遵循一定要求和規則，而土建工程整體設計施工方案的質量，直接決定了整個土建工程項目的實際施工質量和效果。所以，建設單位在選擇土建工程施工方案的過程中，設計人員需要站在整體結構設計角度，以嚴謹、科學、規范的態度選擇合適的土建工程施工方案。并且，設計人員在實際作業中，需要從多個角度考慮土建工程項目結構設計的科學性以及合理性，充分結合土建工程施工區域的地質水文情況、氣候溫度狀況和施工現場環境等內容，綜合所有足以影響施工進程和施工質量的因素進行考量。需要注意的是，設計人員還需要重點關注土建工程地基設計，充分考慮地基是否在長期使用中出現變形等問題，并采取科學合理的措施確保土建工程項目中地基的牢固性、穩定性以及安全性。

2.4 環保性原則

伴隨著人們物質生活質量的不斷提升，其對房屋建筑的綠色以及環保也提出了更新的要求，與此同時國家也提出了綠色發展的戰略，這也就意味著，土建行業將會朝著綠色環保的方向不斷發展。所以，在土建結構設計與優化的過程當中，相關工作人員首先需要對建筑的用料進行充分考量，不僅需要充分注重材料的性能，還需要充分考慮其環保性能，其次，對土建綠化也需要進行更為詳細的設計，進而使得綠化面積可以充分符合相關要求。

3 土建工程結構設計的優化技術探究

3.1 優化設計扭矩

在土建結構設計當中，如若鋼筋架構設計不夠合理與科學，就會因為鋼筋架構難以預防扭矩力作用而導致建筑構件產生裂縫，進而使得鋼筋失去了支撐的作用。在土建結構優化過程當中，扭矩安全優化需要充分注意以下幾方面內容：首先，鋼筋間距，如若土建結構受到了扭轉力的影響，那么出現的裂縫就會與縱軸呈45°夾角，針對這一狀況，就需要將鋼筋結構最大間距調小至截面寬度的數值，與此同時使得每一個鋼筋都需要穿過一個斜線裂縫；其次，箍筋形式，如若構件的扭轉出現了四個不同的側面裂縫，那么箍筋就需要設計為封閉式結構，進而使得鋼筋裂縫面上的受力得到平衡；最后，扭矩鋼筋配置范圍，在建筑構件受到扭矩時，其箍筋與縱筋會共同承受外力，那么抗扭鋼筋配置范圍就需要依據縱筋的延長程度來確定，進而將抗扭力設計的優勢更為充分的發揮出來[4]。

3.2 優化設計磚石結構

在優化過程中，結構優化人員需要考慮土建建筑的實際環境，然后對砌體結構進行優化，特別要注意土建的防塵和防潮設計，這可以極大地延長建筑的使用壽命[5]。例如，建筑所在地區比較潮濕，那么設計優化人員就需要將水泥砂漿的配合比調制在M7.5以上，砌體的強度應該在15MPa以上，這樣才能確保砌體的性能。但是，仍會有設計人員將水泥砂漿的配合設置為M5，磚體強度為10MPa，此時就需要結構優化人員根據實際的建筑情況對設計方案進行調整，如衛生間區域一般都處在潮濕的環境，就需要進行一些調整，而客廳和臥室相對比較干燥，可以不用調整。在土建結構中，一些墻體也會發生裂縫問題，那么優化人員就需要考慮伸縮縫的設計。在施工過程中，混凝土澆筑構件會因為環境溫度而發生膨脹或緊縮，從而導致墻體出現裂縫，因此，優化設計人員就需要考慮氣候和環境，合理設計伸縮縫間距。

3.3 房屋結構設計與概念設計優化

房屋設計的概念設計也有多種選擇。結構設計要求盡可能全面的分析潛在的影響因素，并且優先考慮到外部環境，以產生更切實可行的解決方案。比方說，在所有不利因素當中，地震是最難控制與預防的，地震有著極為巨大的破壞力，所以需要成為概念設計的重點。在對房屋構造實際進行設計之前，相關設計工作人員必須要提前做好相應準備，以加強房屋的防震能力，從根源上減輕地震所帶來的損害，保證建筑物的強度相對平衡，進一步提升房屋的防震水準。其次，在對住宅實際進行設計的過程當中，相關設計工作人員也需要多考慮設置多渠道的防護體系，協助建筑分擔壓力，降低自然災害帶來的影響，進而顯著降低對房屋的損害[6]。

3.4 土建結構設計與概念設計優化

土建工程結構設計是一項專業性較強的工作，涉及到眾多的專業學科與知識技能。對此，在實際的設計過程中，需要不斷加強土建結構設計與概念設計的優化，為了做到這一點，設計人員應樹立科學的設計意識，并掌握良好的全局觀念。具體來說，在土建工程建筑規劃中，需要制定總體設計方法和布局。在工程實踐中，有很多不同的分析方法，即建筑的架構設計既已確定，而且對荷載要求也一致。因為可進行計算的材料、參數的載荷都是非靜止的，所以在過程中必須處理部分零件，尤其是那些無法用計算機軟件處理的問題。設計者需要針對現場狀況進行全面研究，做出正確判斷，其問題的核心是繼續按照建筑工程的規范和準則以及工程的方法加以探索與發展，以便確定各種選項。

3.5 重視結構安全設計

在對建筑工程項目進行結構安全設計的過程當中，相關設計工作人員需要進行如下工作，即檢驗結構設計文檔當中涉及的所有元素，并且嚴格按照文檔內容進行設計工作，以避免在后續工程建設進行以后出現結構安全問題以及工程質量問題。在實際進行設計的過程當中，還需要對建筑結構設計當中的各種類型以及房屋進行劃分，并且規定相對應的結構安全管理層次與應用壽命。通過這樣的設計流程，能夠保證建筑體系結構設計的規范性，具備了更佳的設計合理性、更高的應用安全性，并且能夠為應用者創造更為優質的家居應用環境。與此同時，對結構安全管理進行規范的建筑設計者需要選擇現代最為先進的計算公式，科學計算與結構規劃有關的參數，以保證參數的高精度，然后需要充分根據準確的參數進行設計，以保證這一項目具有優質的運行安全性[7]。

3.6 增強環保設計

近年來，國家、社會和公眾高度重視環境保護，環境保護已成為現代企業發展的關鍵問題，這同樣也適用于土木工程結構設計。對此，設計人員必須從結構規劃和建設的角度出發，以盡可能好的方式滿足無害環境發展的要求。在設計初期，應積極融入生態思維，特別是材料選擇和工程結構規劃應滿足環境要求，為實現綠色建筑目標奠定基礎。例如，可以將太陽能和循環水等低碳環境技術引入到工程結構設計中，以促進環保理念在居民和用戶的生活和工作中的實施。其次，土建結構中將不可避免地會出現建筑垃圾、噪音、光污染、污水等環境問題，由此可見，環境保護也是結構設計必須遵守的基本原則之一。對此，設計團隊與施工團隊應加強合作，雙方應積極發揮各自的優勢，制定各種優化的設計和施工方案，提出解決實際問題的各種措施，切實保護環境。

3.7 保證結構設計的藝術性與實用性

對于建筑設計工作人員而言，建筑自身是其最自豪的藝術作品。因此，建筑設計工作人員在對建筑物進行設計的工程當中，都會盡可能的表現自身的設計理念與目標，并且提供更多實用性與藝術性的作品。因此，在實際進行設計的過程當中，需要優先考慮建筑物的實用性與安全性，并且在這一基礎之上，盡可能增加建筑物的穩定性，與此同時利用客觀條件表現其藝術目標。在實際的建筑設計活動當中，設計工作人員也需要保障建筑平面布置的規律性、對稱性以及準確性，與此同時減少建筑物質量與結構強度之間的差距，并且避免建筑在實際設計活動當中因為過量荷載而造成的建筑物質量問題。在考慮建筑垂直框架問題的過程當中，需要優先考慮建筑物的水平結構。因為建筑物的垂直承重結構必須要可以上下連接。除此之外，相關設計工作人員還需要充分考慮垂直布置的剛度，以避免過度的應力梯度集中，進而提升了建筑的抗壓能力。

4 結語

總的來說，土建工程結構設計是一項復雜性與專業性兼具的充滿挑戰的工作，對人員的專業能力也提出了更高要求。對此，設計人員應不斷加強學習，充分理解主要設計規范的條文，并經常關注本行業的前沿技術，同時加強與建筑及設備專業的溝通，避免出現使用功能上的缺陷。同時我們結構設計人員還應該樹立科學的設計理念，統籌好結構設計、質量設計、安全設計、生態設計等要素之間的關系。在工程施工階段，結構設計人員還應該加強與土建工程施工團隊的交流與協作，制定出滿足土建工程實際建設需求的設計方案，不斷優化設計技術，為我國土建工程領域的發展做出重要貢獻。