劉偉

（天津市長(zhǎng)城建筑設(shè)計(jì)有限公司，天津 300041）

隨著我國(guó)改革開發(fā)的進(jìn)一步發(fā)展，全國(guó)人民的生活都步入了小康時(shí)代。越來越多的人對(duì)物質(zhì)生活要求也越來越高了，許多人都住進(jìn)了高樓大廈。人口的繼續(xù)增長(zhǎng)，使得建筑物越來越多，而土地資源有限，這樣導(dǎo)致土地價(jià)格越來越高，從而導(dǎo)致了建筑商的建筑成本也越來越高。降低建筑成本是建筑商首先考慮的方法，那么如何控制建筑成本呢？結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)思想是目前國(guó)內(nèi)外比較有價(jià)值的一套理論系統(tǒng)。運(yùn)用該理論方法，實(shí)現(xiàn)人民對(duì)于居住環(huán)境和生活環(huán)境的改善，提高建筑產(chǎn)品的質(zhì)量與品味，滿足小康社會(huì)人們對(duì)新生活的需求，同時(shí)降低工程建筑的造價(jià)成本，實(shí)現(xiàn)建筑商利潤(rùn)最大化的目標(biāo)，這具有適用、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的價(jià)值。

1 優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

社會(huì)上的建筑物都很令人賞心悅目給人以美的享受，這是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建筑實(shí)施技術(shù)相互協(xié)調(diào)、密切配合，從而達(dá)到美觀效果的結(jié)果。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)我們都追求安全、適用、經(jīng)濟(jì)、美觀、施工簡(jiǎn)單等五種目標(biāo)。文中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，能實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)技術(shù)優(yōu)化的目的，能應(yīng)用于實(shí)踐，它不但滿足了人們對(duì)建筑美觀、造型優(yōu)美的要求，又能使房屋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、性能安全、建筑成本經(jīng)濟(jì)，成為名副其實(shí)的“經(jīng)濟(jì)適用”建筑。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法從建筑上來分析，它主要體現(xiàn)在優(yōu)化設(shè)計(jì)的建筑工程結(jié)構(gòu)和建筑工程結(jié)構(gòu)的總體優(yōu)化設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。

第一個(gè)方面：建筑模型的優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

一項(xiàng)大的建筑工程，先設(shè)計(jì)建筑模型，那么建筑模型的優(yōu)化是十分必要的。建筑工程的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要包括：基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)、屋蓋系統(tǒng)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)細(xì)部設(shè)計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。除此之外，還需要做選型、布置、受力分析、造價(jià)分析等內(nèi)容的優(yōu)化設(shè)計(jì)。所有這些設(shè)計(jì)，都按照一切從實(shí)際出發(fā)的原則來進(jìn)行，根據(jù)工程的具體實(shí)際情況，圍繞房屋建筑的綜合經(jīng)濟(jì)效益的目標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，首先要滿足設(shè)計(jì)意圖后，盡量使平面布置規(guī)則，縮小剛度和質(zhì)量中心的差異，這樣可以避免水平荷載與建筑物中太大的扭轉(zhuǎn)作用力。在豎直方向上應(yīng)避開使用轉(zhuǎn)換層，減少應(yīng)力集中現(xiàn)象。

房屋結(jié)構(gòu)可靠度優(yōu)化設(shè)計(jì)的約束條件，包括了應(yīng)力約束、裂縫寬度約束、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度約束、尺寸約束、從正常時(shí)的極限狀態(tài)下彈性約束到終極狀態(tài)的彈塑性約束、從可靠指標(biāo)約束到確定性約束條件等。在設(shè)計(jì)中，我們要保證各約束條件必須符合現(xiàn)行規(guī)范的要求。

第二個(gè)方面：建筑模型的優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的計(jì)算方案。

完成計(jì)算方案的設(shè)定后只需編制相應(yīng)適用的運(yùn)算程序即可得到我們的最終優(yōu)化結(jié)果。然而，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化涉及到多個(gè)變量、多個(gè)約束條件，這是屬于一個(gè)非線性的優(yōu)化問題，在設(shè)定計(jì)算方案時(shí)，需要將有約束條件轉(zhuǎn)變?yōu)闊o約束條件來進(jìn)行計(jì)算。建筑工程設(shè)計(jì)中常用的方法有Powell算法、拉氏乘子法和符合型等方法。利用這些方法來計(jì)算建筑模型的優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

2 優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)在實(shí)踐中的應(yīng)用

在設(shè)計(jì)好了優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案后，就可以將該理論方法應(yīng)用于實(shí)踐之中。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，是目前一個(gè)比較普遍的課題，要達(dá)到利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法在不改變適用性能的前提下達(dá)到降低工程造價(jià)的目的，將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法應(yīng)用于實(shí)踐之中，這是我們建筑工程設(shè)計(jì)人員所追求的目標(biāo)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用于項(xiàng)目的整體設(shè)計(jì)、前期設(shè)計(jì)，舊房改造，抗震設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)的各分部環(huán)節(jié)，發(fā)揮著巨大的效益。在按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法及模型進(jìn)行實(shí)踐的過程中，要注意下面的三個(gè)方面的問題：參與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的前期工作，將概念設(shè)計(jì)和細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化下部的地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。下面就這三個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)描述。

第一，參與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的前期工作

因?yàn)榍捌诜桨傅拇_定直接影響建筑的總投資，而現(xiàn)在存在的普遍問題就是前期方案階段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并不進(jìn)行參與，建筑師進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時(shí)大多并不考慮結(jié)構(gòu)的合理性以及它的可行性，但是建筑設(shè)計(jì)的結(jié)果卻直接對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造成影響，某些方案可能會(huì)增加結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度，并使得建筑的總投資提高。如果在方案的初期，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)就能參與進(jìn)來，那么我們就能針對(duì)不同的建筑類別，選擇合理的結(jié)構(gòu)形式，合理的設(shè)計(jì)方案，獲得一個(gè)良好的開端。

第二，將概念設(shè)計(jì)和細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化

概念設(shè)計(jì)應(yīng)用于沒有具體數(shù)值量化的情況，例如地震設(shè)防烈度，因?yàn)樗牟淮_定性，計(jì)算式難免與現(xiàn)實(shí)有較大的差異，在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候就要采用概念設(shè)計(jì)的方法，把數(shù)值作為輔助和參考的依據(jù)。設(shè)計(jì)過程中需要設(shè)計(jì)人員靈活的運(yùn)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法，達(dá)到最佳的效果。

第三，優(yōu)化下部的地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

地基基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化首先要選擇合適的方案，如果為樁基礎(chǔ)，那么要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件選擇樁基類型，盡量節(jié)省造價(jià)。樁端持力層對(duì)灌注樁樁長(zhǎng)的選擇影響很大，應(yīng)多進(jìn)行比較以確定最合適的方案。

3 優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)際價(jià)值

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化在建筑設(shè)計(jì)中具有很重要的地位，首先使用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)能降低建筑造價(jià)，其次進(jìn)行優(yōu)化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能提高建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性。這些都具有實(shí)際價(jià)值。

第一，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)來降低總造價(jià)

進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，多層住宅和高層住宅相比較，層數(shù)越多，總建筑面積增大，單位建筑面積占用的土地面積就越小，節(jié)約了用地成本，但建筑層數(shù)的增多，建筑總高度也會(huì)加大，樓與樓之間的間距也要加大，這時(shí)占用的土地節(jié)約量就不與建筑層數(shù)增加比例相同了。另如屋蓋部分，一棟樓只有一個(gè)屋蓋，并不會(huì)因?yàn)閷訑?shù)的增加而有所改變，它的成本下降會(huì)比較明顯。對(duì)于基礎(chǔ)部分而言，雖然也是各層共用的，但是層數(shù)增加，傳給基礎(chǔ)的荷載將會(huì)增大，我們需要增大基礎(chǔ)，這樣單位面積的造價(jià)有所降低，但是卻沒有屋蓋的效果那樣明顯。

第二，通過進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化來提高建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性

建筑的層高增加，由于墻體面積和柱體積增加，結(jié)構(gòu)的自重會(huì)增加，基礎(chǔ)和柱的承載力相應(yīng)增加，水衛(wèi)和電氣的管線會(huì)加長(zhǎng)；相反降低層高，可節(jié)省材料，有利用抗震，同時(shí)建筑的總高度減小，兩建筑之間的日照距離就會(huì)減小，間接的節(jié)約了用地。建筑面積相同，建筑使用不同的平面形狀時(shí)，它的外墻周長(zhǎng)也就會(huì)不同，這樣當(dāng)選擇圓形或是越接近于方形時(shí)，外墻周長(zhǎng)系數(shù)就越小，基礎(chǔ)、外墻砌體、內(nèi)外表面裝修都隨之減少，同時(shí)其受力性能也得到提高，增強(qiáng)了建筑的經(jīng)濟(jì)性能。

結(jié)論

利用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的技術(shù)方法，能提高有限的空間、有限的資源，讓其最大化的效果發(fā)揮，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)化、實(shí)用性和適用性的良好目標(biāo)。滿足了建筑產(chǎn)品的品質(zhì)要求不斷提高的目的，實(shí)現(xiàn)了人們對(duì)于居住條件及生活環(huán)境的要求不斷提高的需求，同時(shí)，這也實(shí)現(xiàn)了建筑商不斷尋求新的手段來滿足顧客的需求，達(dá)到降低建筑工程造價(jià)成本的目標(biāo)。

[1]談建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].建筑科學(xué)，2009(4).

[2]張紅友.優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減少建筑投資成本[J].陜西建筑，2008(11).

[3]馬臣杰，張良平，范重.優(yōu)化技術(shù)在深圳京基金融中心中的應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu)，2009(4).

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[5]肖偉.通過房屋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提高房屋抗震性能[J].福建建筑，2008(11).