張旻

（湖南湘楚鴻飛建筑設(shè)計(jì)有限公司 湖南株洲 412000）

民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化

張旻

（湖南湘楚鴻飛建筑設(shè)計(jì)有限公司 湖南株洲 412000）

在當(dāng)今社會(huì)，應(yīng)用較為廣泛的建筑便是民用建筑，其同人們的生產(chǎn)生活息息相關(guān)。對(duì)此，做好民用建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有重要意義，只有經(jīng)過(guò)不斷優(yōu)化，民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)才能集穩(wěn)定、科學(xué)、合理、安全于一身。本文首先對(duì)民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則及幾種常見(jiàn)的民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，再對(duì)民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行分析，最后對(duì)民用建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施給予探討。

民用建筑；結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)；優(yōu)化

引言

所謂建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，也就是民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用的主要方法，以建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的應(yīng)用為平臺(tái)，房屋結(jié)構(gòu)在安全、實(shí)用等環(huán)節(jié)就有了根本的保證。所以，在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中應(yīng)該推行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的應(yīng)用，從房屋結(jié)構(gòu)的前期設(shè)計(jì)、細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等重點(diǎn)環(huán)節(jié)出發(fā)，更好地發(fā)揮建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的優(yōu)勢(shì)，建立起房屋結(jié)構(gòu)的驗(yàn)證、計(jì)算和控制新體系。

1 建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

國(guó)際上最早從80年代開(kāi)始利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)輔助設(shè)計(jì)，也就是二維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法，這種建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的過(guò)程是采用程序化手法，使設(shè)計(jì)過(guò)程更加簡(jiǎn)單，也促進(jìn)了標(biāo)準(zhǔn)化繪制的形成。但是隨著對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的高效性需求日益加大，出現(xiàn)了三維化的設(shè)計(jì)方法。當(dāng)前很多發(fā)達(dá)國(guó)家在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上引入了建筑信息建模等理念，在相關(guān)技術(shù)的支持下通過(guò)建立三維模型的方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，很大的提高了工作效率。而在隨著國(guó)內(nèi)建筑行業(yè)的快速發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀是，一方面，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的信息化使得設(shè)計(jì)過(guò)程更加便捷，造成設(shè)計(jì)人員過(guò)于依賴于電腦，而不進(jìn)行專(zhuān)業(yè)理論知識(shí)的全面評(píng)估，這給建筑工程帶來(lái)很大的不利影響；另一方面，當(dāng)前的信息化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)與發(fā)達(dá)國(guó)家存在較大的差距，雖然建筑信息建模等三維方式已經(jīng)在國(guó)內(nèi)的部分建筑設(shè)計(jì)上得到了應(yīng)用（具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程如圖1），但是實(shí)現(xiàn)先進(jìn)信息技術(shù)與實(shí)際設(shè)計(jì)工作的完美結(jié)合，仍需要在日常工作中進(jìn)行不斷的探索與優(yōu)化。

圖1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程圖

2 我國(guó)民用建筑結(jié)構(gòu)類(lèi)型的劃分

2.1 結(jié)構(gòu)墻（剪力墻）結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)墻又稱(chēng)抗風(fēng)墻或抗震墻、剪力墻。結(jié)構(gòu)墻是建筑物主要承受空氣流動(dòng)產(chǎn)生的壓力或地震作用引起的水平作用力和重力的墻體。在對(duì)結(jié)構(gòu)墻進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，其結(jié)構(gòu)的平面結(jié)構(gòu)要同相關(guān)建筑平面布置的要求相符合。結(jié)構(gòu)墻具有很好的承載能力以及空間作用能力，在一般情況下，其在民用建筑中的運(yùn)用比較廣泛，由于建筑工程在其施工過(guò)程中會(huì)受到結(jié)構(gòu)墻間距的影響，導(dǎo)致其平面空間的布置受到限制，所以結(jié)構(gòu)墻在住宅或者或者旅館的應(yīng)用中比較普遍。

2.2 框架式結(jié)構(gòu)

建筑的框架式結(jié)構(gòu)指的是建筑的梁通過(guò)剛結(jié)點(diǎn)或者鉸鏈同柱之間加以連接，二者共同構(gòu)成建筑的承重體系，來(lái)抵抗建筑在人們居住過(guò)程中所產(chǎn)生的豎直方向上的重力以及水平方向上的作用力。采用框架式結(jié)構(gòu)的建筑墻體不承受作用力，僅僅起到對(duì)建筑內(nèi)部的圍護(hù)以及分隔作用。框架式結(jié)構(gòu)在進(jìn)行平面布置時(shí)要靈活，能夠滿足建筑工藝以及使用功能的要求。在對(duì)框架式結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，一般采用的材料是鋼筋混凝土以及型鋼。因?yàn)椴牧显谑艿阶饔昧r(shí)的抗損壞能力比較好，其抵抗壓力的能力比較強(qiáng)，且由于其梁柱之間進(jìn)行的是剛接或者鉸接，因此其抵抗震動(dòng)的能力以及防止側(cè)移的能力也比較好。構(gòu)架式結(jié)構(gòu)比較適用于多層建筑以及高度在60m以下的建筑。在對(duì)框架式結(jié)構(gòu)進(jìn)行平面上的設(shè)置時(shí)，盡量對(duì)平面或者立面的形狀多加以利用，從而促進(jìn)建筑的各部分結(jié)構(gòu)在受力時(shí)抵抗彈性變形的能力得以均勻?qū)ΨQ(chēng)分布。

2.3 筒體結(jié)構(gòu)

筒體結(jié)構(gòu)由構(gòu)架—結(jié)構(gòu)墻結(jié)構(gòu)與全結(jié)構(gòu)墻結(jié)構(gòu)綜合演變和發(fā)展而來(lái)。筒體結(jié)構(gòu)是將結(jié)構(gòu)墻或密柱框架集中到建筑的內(nèi)部和外圍而形成的空間封閉式的筒體。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)墻集中而獲得較大的自由分割空間，這種結(jié)構(gòu)多用于寫(xiě)字樓。進(jìn)行筒體結(jié)構(gòu)的平面設(shè)置時(shí)，一般選用方形或者圓形的形式，同時(shí)，也可以選擇對(duì)稱(chēng)的三角形或者人字型平面對(duì)其加以設(shè)置。當(dāng)采用長(zhǎng)方形的平面時(shí)，其長(zhǎng)度與寬度之間的比值最好不要超過(guò)2∶1。外框筒密排栓柱距一般為1～3m之間。在建筑的平面四角處的柱子截面應(yīng)當(dāng)要呈八字形或者L形，其截面的尺寸要加大至2～3倍。外筒的邊長(zhǎng)尺寸要比內(nèi)筒的大出兩倍。同時(shí)在建筑的頂部設(shè)置一到二層的剛性環(huán)梁，對(duì)建筑的框筒結(jié)構(gòu)的空間整體性加以提高。

2.4 混合結(jié)構(gòu)

混合結(jié)構(gòu)的墻體具有承重和圍護(hù)的雙重作用，其所用的材料比較簡(jiǎn)單，便于就地取材。并且在對(duì)混合結(jié)構(gòu)加以施工時(shí)的技術(shù)要求也比較簡(jiǎn)單，施工難度比較小。由于砌體的抗壓強(qiáng)度較高但是其抗拉強(qiáng)度很低，其主要受到軸心力或小偏心壓力的影響，其抵抗震動(dòng)的能力比較弱。因此，運(yùn)用混合結(jié)構(gòu)的建筑一般不超過(guò)七層。

3 民用建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施

3.1 保證和提升設(shè)計(jì)質(zhì)量

現(xiàn)階段，在民用建筑結(jié)構(gòu)中存在較多問(wèn)題，比如設(shè)計(jì)粗糙、標(biāo)注不全、違反規(guī)范條文等，在施工之前，這些問(wèn)題都應(yīng)該得到解決，因此，對(duì)設(shè)計(jì)人員具有較高要求，必須具有較強(qiáng)的職業(yè)素養(yǎng)和專(zhuān)業(yè)知識(shí)。設(shè)計(jì)人員應(yīng)該定期參加各種專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)，使自身的責(zé)任心和專(zhuān)業(yè)水平得到提升，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，能夠端正態(tài)度，使建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)質(zhì)量和水平不斷提升。在進(jìn)行設(shè)計(jì)單位選擇時(shí)，必須嚴(yán)格審查設(shè)計(jì)單位的資質(zhì)和相關(guān)證書(shū)，不僅可以從源頭上保證整個(gè)工程的質(zhì)量和安全性，還能使建筑結(jié)構(gòu)具有較高的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

3.2 民用建筑結(jié)構(gòu)模型的優(yōu)化

民用建筑結(jié)構(gòu)的好壞，與國(guó)計(jì)民生息息相關(guān)，即建筑工程與人民群眾具有緊密聯(lián)系，因此，在設(shè)計(jì)民用建筑結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)該對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行合理性優(yōu)化，保證房屋的各個(gè)細(xì)節(jié)都能得到合理性優(yōu)化，比如圍護(hù)結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)體系等，使建筑具有較好的承重能力。在設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)模型時(shí)，經(jīng)濟(jì)性原則、安全性原則是不可忽視的，同時(shí)，想要最大化實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益，必須使建筑結(jié)構(gòu)成本降到最低。

3.3 民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全性的提高

如今，自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，而多數(shù)民用建筑結(jié)構(gòu)缺乏相應(yīng)的抗震設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理現(xiàn)象比較嚴(yán)重。因此，合理科學(xué)的民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，才能保證建筑結(jié)構(gòu)的使用壽命和安全性。在進(jìn)行民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，選擇的結(jié)構(gòu)類(lèi)型必須具有合理性?，F(xiàn)階段，鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用的較為廣泛，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，此結(jié)構(gòu)具有工期短、質(zhì)量輕、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，與民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全性的提高是相吻合的。

4 建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的步驟

4.1 正確建立設(shè)計(jì)模型

對(duì)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行合理性的選擇，首先將建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中的主要影響參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與整理，將其中影響不大或者變化范圍較小的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行預(yù)定計(jì)算，從而有效減少設(shè)計(jì)過(guò)程中的工作量。結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程中，需要通過(guò)一組能滿足預(yù)定條件的函數(shù)，這一函數(shù)可以滿足相應(yīng)的失效概率、幾何尺寸與鋼筋截面積，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，通過(guò)這一函數(shù)可以有效降低工程造價(jià)的數(shù)額，為建筑生產(chǎn)創(chuàng)造了有利因素。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要詳細(xì)參照房屋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的詳細(xì)參數(shù)來(lái)進(jìn)行，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠度，對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的約束條件主要包括應(yīng)力約束、構(gòu)件單位約束、尺寸約束、結(jié)構(gòu)體系約束等方面，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者需要在對(duì)目標(biāo)進(jìn)行約束的過(guò)程中詳細(xì)參照房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)，并且確保約束目標(biāo)條件能夠滿足相關(guān)的要求，通過(guò)這些方式實(shí)現(xiàn)有效地結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.2 優(yōu)化方案設(shè)定

在進(jìn)行房屋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中，建筑結(jié)構(gòu)往往存在著多約束、非線性的復(fù)雜問(wèn)題，這些問(wèn)題在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中為設(shè)計(jì)者帶來(lái)了很多的困擾，因此，有效的通過(guò)優(yōu)化方案設(shè)定，利用常用的優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算方法針對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算求解，這樣可以幫助設(shè)計(jì)者更好地進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4.3 結(jié)果分析

結(jié)果分析對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程有著重要的作用，這一過(guò)程中，設(shè)計(jì)者通過(guò)對(duì)方案進(jìn)行合理選擇，并且分析方案的實(shí)用性與成本因素，充分考慮經(jīng)濟(jì)因素與設(shè)計(jì)因素，通過(guò)對(duì)這兩方面進(jìn)行有效配置，從而實(shí)現(xiàn)更加完善的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化。

5 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，民用建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中屬于一項(xiàng)龐大的系統(tǒng)工程，需要相關(guān)人員不斷進(jìn)行探索和改革，不斷促進(jìn)民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性，使其更符合設(shè)計(jì)要求、更符合當(dāng)今社會(huì)的環(huán)保理念。同時(shí)，不斷提升民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員的能力和素質(zhì)，使設(shè)計(jì)出的方案更加合理有效，促進(jìn)我國(guó)建筑產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，使建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)向安全、合理、科學(xué)的方向轉(zhuǎn)變。

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1673-0038（2015）45-0100-02

收稿日期：2015-10-17

張旻（1976-），男，工程師，本科，主要從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。