王聰敏

（身份證號：130627197609172237）

淺談現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計要點

王聰敏

（身份證號：130627197609172237）

本文從現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計基本要求入手，分別從建筑結(jié)構(gòu)的建筑體型、結(jié)構(gòu)構(gòu)件、材料和計算機新技術(shù)的應(yīng)用四方面探討了現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的措施。

建筑結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計；降低成本；結(jié)構(gòu)構(gòu)件；安全

1 選擇合適的傳力途徑，簡化受力，降低造價

具有規(guī)則建筑體型和平面布置的結(jié)構(gòu)，因其受力較簡單，造價相對較低。但由于不同使用功能的需要，建筑的體型和平面布置是多種多樣的，可以通過對結(jié)構(gòu)墻、柱的布局和墻肢長短的調(diào)節(jié)，使不規(guī)則的建筑體型和平面布置產(chǎn)生規(guī)則結(jié)構(gòu)的效應(yīng)，同樣可以使建筑結(jié)構(gòu)達到經(jīng)濟結(jié)構(gòu)和安全使用的預定目標。

從力學觀點來說，結(jié)構(gòu)的荷載傳遞路徑應(yīng)力求簡單和直接。建筑結(jié)構(gòu)中空間關(guān)系較復雜的部位，在設(shè)計時常會出現(xiàn)多次轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，猶如轉(zhuǎn)換層，這樣會導致造價提高，也容易發(fā)生因失穩(wěn)而引起的安全問題。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的傳力途徑有多種多樣，其支撐構(gòu)件也可根據(jù)傳力需要按科學、合理的方案進行變換，因此，可以說沒有固定不變的結(jié)構(gòu)布置，也沒有一成不變的傳力途徑。而如果設(shè)計師采用最直接、最簡單的傳力途徑，就可以省去許多中間傳遞的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，從而也可減少結(jié)構(gòu)的安全隱患，使結(jié)構(gòu)受力更明確，材料更省，其造價自然也會更低些。

2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的優(yōu)化

2.1 框架-剪力墻

目前，高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計大多采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，這種體系由鋼筋混凝土框架和鋼筋混凝土剪力墻兩部分組成，框架的梁柱為剛接，框架與剪力墻可為剛接，也可為鉸接。高層建筑體日趨復雜，各種不同功能的建筑用房綜合在一起，組成形態(tài)各異的高層建筑，給建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計增加了一定的難度。而框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系具有靈活組成使用空間的優(yōu)點，比較容易滿足建筑物的使用要求，而且框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系有較高的承載力，較好的延伸性和整體性，并且具備很強的吸收地震力的能力，從而大大減小了結(jié)構(gòu)本身的側(cè)移。因此，在建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的實踐過程中，在框架-剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中，剪力墻剛度的確定除了必須滿足強度條件外，還必須使結(jié)構(gòu)具有一定的側(cè)向剛度?；诖?，剪力墻剛度的大小將直接影響到結(jié)構(gòu)的安全性及工程造價成本。另外，在框架-剪力墻結(jié)構(gòu)初步設(shè)計階段，簡捷、準確地確定框剪結(jié)構(gòu)中剪力墻最優(yōu)數(shù)量，即可避免重復、繁瑣的結(jié)構(gòu)剛度調(diào)整計算，還可以達到減少經(jīng)濟成本的目標。

2.2 梁的選用與布置

常規(guī)梁經(jīng)濟性最好，但嚴重影響建筑層高，尤其是在目前土地資源有限的情況下，最終還是無法實現(xiàn)社會整體經(jīng)濟效益的最大化；寬扁梁能減少梁的截面高度，增加建筑物的凈高。在建筑物總高度限制的情況下，可以增加層數(shù)，以獲得更多的建筑面積。但寬扁梁在經(jīng)濟指標上與常規(guī)梁相比并不是最優(yōu)，由于y方向截面高度減小，使得縱向鋼筋的配筋率較高，同時撓度偏大。在跨度進一步加大的情況下，也可采用預應(yīng)力梁，以滿足建筑物的特殊要求，但費用較高。此外，高層建筑框架柱截面大小主要由軸壓比控制，在上部軸力一定的情況下，可以通過加大柱截面、提高混凝土設(shè)計強度、加大柱箍筋、采用鋼混凝土柱等不同方法來控制柱軸壓比，最大化程度保證功能性與安全性。

2.3 加強砌體結(jié)構(gòu)的設(shè)計

為承重構(gòu)件和抗側(cè)移構(gòu)件的磚砌體，其平面布置較為靈活，但不適宜做躍層結(jié)構(gòu)，杜絕受力較大的突兀結(jié)構(gòu)形式。門窗開洞寬度不宜超過2.1m，縱向墻體數(shù)量不宜少于三道，這一措施可以適當減少構(gòu)造柱的配筋。

3 材料的優(yōu)化選擇

結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的便是花盡可能少的錢，做最安全、適用的建筑，這就要求結(jié)構(gòu)設(shè)計時對材料的選用要合理，利用要充分。要根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的不同受力特點、工作環(huán)境和材料的力學性能特點，選用合適的建筑材料。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，以受壓為主的柱子，就要充分發(fā)揮鋼筋混凝土材料中混凝土抗壓性能好的特點，盡可能采用高標號混凝土，不但可以減小構(gòu)件截面，增加使用空間，還能減輕結(jié)構(gòu)自重。梁板以受彎為主，可采用高強度鋼筋，以減少鋼筋用量，同時要注意鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋與混凝土強度的匹配，最大限度地發(fā)揮出材料的性能。

4 加強基于計算機技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計分析

隨著計算機技術(shù)以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計理論的結(jié)合，基于計算仿真的優(yōu)化設(shè)計思路已經(jīng)在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用。通過利用計算機分析軟件建立優(yōu)化設(shè)計的分析模型，采用高效的計算機優(yōu)化計算方法，設(shè)立結(jié)構(gòu)設(shè)計達到的目標要求，最終實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化目的。在具體的優(yōu)化設(shè)計過程中，優(yōu)化設(shè)計實際上已經(jīng)由一個工程問題轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€數(shù)學問題。在大型復雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計中，基于這一思想的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法具有其他算法無法替代的優(yōu)勢。因此，工程設(shè)計人員加強基于計算機技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計分析非常必要。

5 結(jié)語

綜上，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計來降低工程造價是控制工程投資的一個有效途徑，近年來被越來越多的建設(shè)單位所重視。但是應(yīng)明確建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的首要任務(wù)是滿足建筑功能的需求，實現(xiàn)建筑物適用、安全、美觀、經(jīng)濟的目標，因此不能片面強調(diào)節(jié)約投資，而降低技術(shù)和質(zhì)量標準，應(yīng)通過合理的優(yōu)化結(jié)構(gòu)的手段來達到經(jīng)濟效益與建筑安全的完美結(jié)合。

[1]肖燕武.淺談建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全度[J].科技創(chuàng)新導報，2007，35.

[2]李鋒.淺談現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].科技資訊，2010，28.

[3]《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）[S].中國建筑工業(yè)出版社，2011.

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2015-7-25