萬年春

（廣西宏亞設(shè)計咨詢有限責(zé)任公司（原廣西壯族自治區(qū)工業(yè)設(shè)計院）　廣西　南寧　530000）

探析房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法應(yīng)用對策

萬年春

（廣西宏亞設(shè)計咨詢有限責(zé)任公司（原廣西壯族自治區(qū)工業(yè)設(shè)計院）廣西南寧530000）

隨著現(xiàn)代建筑技術(shù)的發(fā)展，為了讓建筑兼顧使用與美觀功能，我們在設(shè)計建筑結(jié)構(gòu)時應(yīng)該盡可能的使房屋的結(jié)構(gòu)全合理，因此，整合和利用好資源，做好結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化工作很有必要。本文通過分析建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的特點、要求和作用，介紹了在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中優(yōu)化方法的過程，希望給予廣大同行以參考和借鑒。

房屋；結(jié)構(gòu)設(shè)計；優(yōu)化

引言

現(xiàn)代社會對建筑的要求不僅僅局限在質(zhì)量方面，更加注重于房屋結(jié)構(gòu)方面。在實際的操作過程中，需要我們利用結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法，在有限空間有限資源發(fā)揮最大的效果，實現(xiàn)經(jīng)濟、實用、適用的目標(biāo)。在充分滿足人們對房屋結(jié)構(gòu)的安全經(jīng)濟要求下，滿足人們對建筑結(jié)構(gòu)的美觀要求。所以，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法對房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重大的意義。

1　建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法的概念和特點

建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法是指把建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和審美藝術(shù)學(xué)結(jié)合，在滿足施工方便性的前提下，把房屋的功能與建設(shè)全都包括在內(nèi)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，再通過優(yōu)化選擇全部可能性的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案來保證建筑質(zhì)量和經(jīng)濟性。通俗的來說就是通過設(shè)計使建筑結(jié)構(gòu)達到近乎完美的效果。因此，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法具有節(jié)能環(huán)保、質(zhì)量安全性高、經(jīng)濟性強以及便于施工管理的特點。

2　建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法的必要性

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，必須先解決如何實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的長遠利益，在對結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性做到盡可能的優(yōu)化。與傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方法相比較，優(yōu)化后的方法能夠?qū)⒐こ坛杀窘档?0～ 35%，提高材料的利用率，全面發(fā)揮機械設(shè)備的性能，實現(xiàn)材料的資源優(yōu)化配置，最大發(fā)揮對建筑材料的有效性，間接性的提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益。

3　建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法的過程

3.1建模型

數(shù)學(xué)模型在建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化過程中起到舉足輕重的作用，合理的數(shù)學(xué)模型可以對原有的設(shè)計進行充分分析，使得設(shè)計結(jié)果更加優(yōu)化。建模型的第一步就是對設(shè)計變量進行合理的選擇，主要選擇對建筑結(jié)構(gòu)影響的主要參數(shù)作為設(shè)計變量，例如約束控制相關(guān)參數(shù)，目標(biāo)控制參數(shù)。其他的一些變化較小的用預(yù)定參數(shù)來表示，這對減小設(shè)計量和計算量有很大的幫助。第二步是確定目標(biāo)函數(shù)，為了使工程造價最小，必須找到一組函數(shù)能夠滿足相關(guān)的預(yù)定條件的截面相應(yīng)的幾何尺寸、鋼筋截面積和相應(yīng)的失效概率。第三步確定約束條件，主要的約束條件有結(jié)構(gòu)強度約束、尺寸約束、裂縫寬度約束、構(gòu)件單元約束、應(yīng)力約束等。我們需要對目標(biāo)約束條件與相應(yīng)的實際約束條件進行比較分析，確保每個約束條件都滿足相關(guān)要求。

3.2設(shè)定計算方案

由于房屋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計根據(jù)可靠度進行，具有多約束和復(fù)雜的多變量，因此，在經(jīng)過優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型已經(jīng)建立的情況下，需要及時有效的選取最科學(xué)的優(yōu)化數(shù)學(xué)算法，例如復(fù)合形法、拉氏乘子法等，把有約束的優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換為無約束優(yōu)化問題的求解。

3.3進行程序設(shè)計

根據(jù)選擇的模型和計算方法，編寫出一個功能多樣、反應(yīng)速度快的綜合性應(yīng)用程序。

3.4結(jié)果分析

對結(jié)果分析比較是必須進行的，從中選出最佳設(shè)計方案。這要求我們要放眼全局，全面考慮問題，不能只考慮經(jīng)濟性而忽視技術(shù)性，也不能只考慮技術(shù)性而忽視經(jīng)濟性，需要合理配置才能達到最佳狀態(tài)。

4　結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法在房屋建筑方面的具體應(yīng)用

4.1整體優(yōu)化到局部優(yōu)化

從層次性來說，建筑設(shè)計包含整體設(shè)計體系、安裝體系、結(jié)構(gòu)相關(guān)體系等，這幾種體系之下又包含許多下屬體系，設(shè)計人員就需要對每一個很小的下屬體系一步步進行優(yōu)化一步步疊加。從復(fù)雜性來說，建筑設(shè)計中的建筑材料以及建筑部件千變?nèi)f化，各種各樣。從整體到局部的優(yōu)化才是最佳。

4.2壽命優(yōu)化與階段優(yōu)化

在建筑的使用壽命周期內(nèi)的各個階段根據(jù)各個階段的特點以及實際結(jié)果進行科學(xué)的優(yōu)化，既能提高經(jīng)濟性又能提高適用性。

4.3科學(xué)優(yōu)化上部結(jié)構(gòu)

上部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化一般通過建立相應(yīng)的模型進行系統(tǒng)優(yōu)化，首先剪力墻的整體質(zhì)量是均勻的，使得樓層中平面剛度的中心點與樓層整體的結(jié)構(gòu)重心重合，從而減少地震的危害。如果可以，對剪力墻主要采用大開間，增加墻肢的長度，減少墻肢的數(shù)量。

4.4樁基礎(chǔ)的優(yōu)化

在地基基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需要根據(jù)工地的地質(zhì)條件選擇相應(yīng)的樁基類型，盡可能的減少工程造價，這里的樁基礎(chǔ)主要是灌注樁和預(yù)制樁，灌注樁施工時工序復(fù)雜，費時長，一般在沉降符合標(biāo)準(zhǔn)的前提下要加入預(yù)制樁的施工來簡化工序，但是，隨著樁基的加深，土壤與樁基的摩擦?xí)酱?，最好選用從長度較長的預(yù)制樁。

4.5結(jié)構(gòu)優(yōu)化和建筑優(yōu)化

在建筑設(shè)計中，對整體來講，要保證重心、剛心、質(zhì)心重合，防止發(fā)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。保證結(jié)構(gòu)與平面的緊密配合才可以實現(xiàn)美觀與實用相結(jié)合的效果，墻體與支柱不能錯位，墻體的高度要與截面面積相通，在受力比較多的轉(zhuǎn)角需要采用高強建材承重來降低自重。

4.6結(jié)構(gòu)優(yōu)化與排水系統(tǒng)優(yōu)化

通常建筑中排水系統(tǒng)的專用房間里的設(shè)備荷載強度較大，一般將其設(shè)置在地下室，保證預(yù)留管道尺寸與預(yù)留深度符合標(biāo)準(zhǔn)，如果架設(shè)管道時穿過承重墻，需要對墻體進行加固，保持結(jié)構(gòu)與管道網(wǎng)之間的整體性，防止出現(xiàn)管道繞梁的現(xiàn)象。

4.7結(jié)構(gòu)優(yōu)化與電氣優(yōu)化

安裝電氣管線是在金屬管體的外部以導(dǎo)線的形式安裝，這樣不利于預(yù)制結(jié)構(gòu)的施工，所以如果想要管線穿過梁，就要預(yù)先在梁上預(yù)留孔洞，保證梁體的寬度與墻體的寬度一致。一旦不一致，必須使墻體的一面與梁體的一面對齊，確保管線不會漏在墻體表面。還有電梯需要單獨進行分析計算，以確保施工質(zhì)量。

4.8概念設(shè)計結(jié)合細部結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

在數(shù)值比較抽象時，大多數(shù)采用概念設(shè)計。例如在對地震的烈度進行設(shè)防時，找不到與之符合的計算式，這時就要采用概念設(shè)計的方法把相應(yīng)的數(shù)值作為參考依據(jù)。設(shè)計者在設(shè)計時必須對細部結(jié)構(gòu)進行相應(yīng)的優(yōu)化，在滿足結(jié)構(gòu)基本要求的條件下，達到安全又經(jīng)濟的目標(biāo)。

5　建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法的注意事項

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法在建筑設(shè)計中占有很大的優(yōu)勢，但這并不影響開發(fā)商以及建筑公司堅持質(zhì)量第一的施工原則，萬萬不能因為追求藝術(shù)性和牟取暴利，利用減少建材、降低質(zhì)量要求來獲得最佳施工設(shè)計方案。這是原則性問題，另外，計算滿足條件的構(gòu)件并不能代表沒有優(yōu)化的可能，一般會根據(jù)實際情況按照相關(guān)規(guī)范對結(jié)果進行核對，盡量把構(gòu)件截面尺寸調(diào)整到最佳。由于仍存在結(jié)構(gòu)模型的誤差、樓板剛度的影響、溫度、阻尼、基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)的相互作用，結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法還需要根據(jù)實際情況采用概念設(shè)計檢驗。

6　結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法的理論體現(xiàn)

從理論上對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的分析可知，結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化主要是房屋結(jié)構(gòu)總體設(shè)計和分部結(jié)構(gòu)的設(shè)計?？傮w設(shè)計主要是關(guān)于圍護結(jié)構(gòu)以及屋蓋系統(tǒng)，設(shè)計時還要注意相應(yīng)的布置、選型等問題，要根據(jù)工地的實際情況對建筑結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。對于設(shè)計者來說，在保證建筑結(jié)構(gòu)處于安全標(biāo)準(zhǔn)下，創(chuàng)新出新的結(jié)構(gòu)形式來適應(yīng)時代的腳步。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)該盡可能避免使用轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)來減少結(jié)構(gòu)分析存在的難度。還要記得注意盡量減小質(zhì)心與剛心的差距，建筑的平面要對稱規(guī)則，保證在水平荷載下的建筑不會產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)。對于豎直剛度要求剛度的變化為漸變，不存在突變，因為在突變的地方容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致建筑物抵抗水平方向的動力載荷作用減弱。

7　結(jié)語

通過以上對結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法的問題進行討論，要想達到最終最優(yōu)方案，需要各個方面的參與配合，設(shè)計人員要在原有的基礎(chǔ)上開拓創(chuàng)新，提高自己的知識水平，建筑方與開發(fā)商也不能過分注重經(jīng)濟效益而忽略了建筑本應(yīng)有的質(zhì)量保證。對建筑整體進行科學(xué)的設(shè)計優(yōu)化能夠保證建筑本身的功能，也能控制管理工程的資金投入，在整個房屋的結(jié)構(gòu)設(shè)計中有著非常重要的地位，值得我們深思。

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TU318

A

1673-0038（2015）08-0024-02

2015-2-9

萬年春（1981-），男，工程師，本科，主要從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。