梁 雯

（桂林市耀輝投資發(fā)展有限公司 廣西 桂林 541004）

房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用探討

梁 雯

（桂林市耀輝投資發(fā)展有限公司 廣西 桂林 541004）

由于受到社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的影響，致使人們對(duì)生活條件及居住環(huán)境的要求不斷提升，要求房屋的結(jié)構(gòu)不但要具有較強(qiáng)的功能性、安全性、耐久性，還必須具有一定的美觀性及經(jīng)濟(jì)性。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在房屋建筑中屬于一項(xiàng)比較重要的工作，且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)好與壞直接關(guān)系到后期建筑物的整體質(zhì)量。因此，對(duì)建筑物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)一定要根據(jù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而才可以使房屋建筑的功能特點(diǎn)得到體現(xiàn)。本文筆者主要對(duì)房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行分析，給房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等工作的開(kāi)展提供有利條件。

房屋建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；優(yōu)化技術(shù)

1　前言

伴隨人們對(duì)生活水平、建筑質(zhì)量的要求不斷提升，要求建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)技術(shù)必須不斷的進(jìn)步、提升，進(jìn)而才可以使建筑物的質(zhì)量、美觀效果、舒適程度達(dá)到居住、使用的具體需求，才可以使其達(dá)到時(shí)代的發(fā)展要求。因此，應(yīng)該重視優(yōu)化技術(shù)在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，進(jìn)而才可以保證建筑的整體質(zhì)量。房屋建筑中的優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅可以使建筑物的耐久性、功能性、安全性得到更好的體現(xiàn)，而且還可以突出其美觀性以及經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)而給人們提供一個(gè)舒適居住的生活環(huán)境。

2　分析優(yōu)化技術(shù)的內(nèi)容及影響房屋建筑中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性的因素

在房屋建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，想要使優(yōu)化技術(shù)在該過(guò)程中得到較好的應(yīng)用，首先必須對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中優(yōu)化設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容進(jìn)行了解。在設(shè)計(jì)要求達(dá)到建筑結(jié)構(gòu)的使用功能基礎(chǔ)上，還必須對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中的各種問(wèn)題進(jìn)行充分的考慮，且在合理的經(jīng)濟(jì)下將房屋建筑中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工作做好，而該過(guò)程就是優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程。其內(nèi)容主要包含建筑結(jié)構(gòu)的選型、對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的受力情況和布置建筑構(gòu)件的方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)及分析。一般情況下，其內(nèi)容可以分為兩大部分：①將房屋建筑的結(jié)構(gòu)整體當(dāng)作設(shè)計(jì)對(duì)象來(lái)進(jìn)行最優(yōu)化的分析、設(shè)計(jì)；②把分部結(jié)構(gòu)當(dāng)作設(shè)計(jì)的對(duì)象實(shí)施最優(yōu)化的設(shè)計(jì)和分析[1]。而且還能夠?qū)Φ诙康姆謨?nèi)容展開(kāi)詳細(xì)劃分，對(duì)細(xì)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)、對(duì)中部主體、上部屋蓋、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、下部基礎(chǔ)等內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。另外，對(duì)房屋建筑的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，還必須注意影響其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性的各種因素，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中盡量防止這些因素帶來(lái)的影響。

3　優(yōu)化技術(shù)在房屋建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用

對(duì)房屋建筑的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)目的在于使建筑物的美觀性、安全性、功能性及以耐久性得到保證，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的過(guò)程中，必須在各種功能得到滿(mǎn)足的情況下對(duì)施工操作及建筑成本進(jìn)行充分的考慮，根據(jù)保證建筑質(zhì)量及資金的節(jié)約，設(shè)計(jì)者在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)可分成三個(gè)相關(guān)階段。

3.1對(duì)量變進(jìn)行選擇

一般情況下，從事房屋建筑的設(shè)計(jì)師對(duì)其實(shí)際項(xiàng)目工程進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，為給承包商、施工方提供更多的選擇，其在設(shè)計(jì)時(shí)都會(huì)設(shè)計(jì)兩套甚至多套房屋建筑的結(jié)構(gòu)方案，進(jìn)而給其挑選的過(guò)程中選擇最實(shí)用、最好、最經(jīng)濟(jì)的方案。在對(duì)某一個(gè)建筑的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，建筑物的荷載程度應(yīng)保持一致，而建筑師、設(shè)計(jì)者就會(huì)挑選最合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)指標(biāo)要素及內(nèi)容進(jìn)行分析，其主要是包括分析建筑施工的材料、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及負(fù)荷計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)等，然后根據(jù)這些對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行分析[2]。

在房屋建筑的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，在最終的設(shè)計(jì)方案中起到?jīng)Q定性作用的主要是參考數(shù)據(jù)，而參考數(shù)據(jù)通?？捎米髯兞拷o設(shè)計(jì)人員提供相應(yīng)的選擇。比如工程項(xiàng)目中目標(biāo)參數(shù)主要包括預(yù)期產(chǎn)生損傷參數(shù)、房屋價(jià)格的參數(shù)，而工程約束和控制參數(shù)表示房屋的架構(gòu)性能可靠的參數(shù)。若房屋建筑設(shè)計(jì)人員考慮因素相對(duì)較少、變化幅度也比較小的參數(shù)當(dāng)作結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考的指標(biāo)，就會(huì)使建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、計(jì)算、編程等工作的難度大大減少，進(jìn)而也就可以給設(shè)計(jì)人員提供更好的、與優(yōu)化設(shè)計(jì)相符合的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，使優(yōu)化技術(shù)在房屋建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的作用得到真正發(fā)揮。

3.2確定相關(guān)的函數(shù)

建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)參照事先設(shè)定好的鋼筋尺寸的面積、房屋橫截面的尺寸等函數(shù)，從許多相似參考函數(shù)之中進(jìn)行科學(xué)、合理的選取，且對(duì)該組函數(shù)中各種相關(guān)的性質(zhì)進(jìn)行分析，進(jìn)而使房屋建筑中的成本得到最大限度的減少，節(jié)約一定的建筑成本。設(shè)計(jì)人員通過(guò)對(duì)房屋建筑中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)函數(shù)進(jìn)行確定之后，選出做好的、最能體現(xiàn)出房屋的各種性能的數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，就可以使建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.3對(duì)相關(guān)的條件進(jìn)行衡量

因?yàn)樵诜课萁Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中需要對(duì)其穩(wěn)定性、耐用性的不斷提升進(jìn)行考慮，所以房屋設(shè)計(jì)中相應(yīng)的約束指標(biāo)必須包括房屋架構(gòu)的剛性與穩(wěn)定性、房屋的尺寸、變形限度與受力限度、結(jié)構(gòu)中確定程度與可塑程度等。進(jìn)行具體設(shè)計(jì)的過(guò)程中，房屋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)人員應(yīng)該根據(jù)房屋建造的實(shí)際情況，分析、比較具體施工中對(duì)目標(biāo)確定進(jìn)行約束的條件及約束性條件，進(jìn)而保證各種條件與建筑規(guī)定相符合，進(jìn)而使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的優(yōu)化設(shè)計(jì)目的得以實(shí)現(xiàn)。

另外，房屋建筑中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者還必須重視鋼結(jié)構(gòu)在優(yōu)化設(shè)計(jì)中的有效應(yīng)用。將鋼結(jié)構(gòu)用在房屋建筑的施工中具有較大優(yōu)勢(shì)存在，比如鋼結(jié)構(gòu)與磚石結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)相比，其力學(xué)性能更加突，能夠把建筑結(jié)構(gòu)中的受力系統(tǒng)從平面逐漸發(fā)展到其空間，進(jìn)而使房屋建筑安全性得到大大提升。同時(shí)，鋼還代表輕盈，其富有一定的自然美、技術(shù)美以及藝術(shù)美，鋼獨(dú)特的魅力、藝術(shù)表現(xiàn)力能夠使房屋建筑中的美觀性淋漓盡致的展現(xiàn)出來(lái)。鋼材料類(lèi)型種類(lèi)比較多，不同的建筑方法也各有各的特點(diǎn)，把這兩點(diǎn)有機(jī)結(jié)合不僅能夠使房屋建筑的工程進(jìn)度得到提升，對(duì)建筑成本進(jìn)行節(jié)約，并且還能夠增強(qiáng)建筑人員在施工過(guò)程中的安全性。把鋼結(jié)構(gòu)用在房屋建筑中早已發(fā)展成房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的趨勢(shì)及潮流，因此設(shè)計(jì)者在對(duì)房屋結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中必須對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行充分考慮[3]。

4　工程案例分析

某住宅小區(qū)一棟居住樓是一棟由2個(gè)獨(dú)立單元組成的高層住宅開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。工程設(shè)計(jì)為地面18層，地下1層，頂層層高2.88m，其他各層層高為2.8m，建筑總面積11659.0m2，總高度為52.6m。

原結(jié)構(gòu)方案采用一般的剪力墻結(jié)構(gòu)，對(duì)于房屋高度不太大的小高層建筑來(lái)說(shuō)，這種結(jié)構(gòu)會(huì)造成剛度過(guò)大，質(zhì)量增加導(dǎo)致地震反應(yīng)過(guò)強(qiáng)，使得上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)造價(jià)提高，結(jié)構(gòu)布置見(jiàn)圖1。

圖1　原方案標(biāo)準(zhǔn)層梁板布置

優(yōu)化后設(shè)計(jì)方案（下稱(chēng)為方案1）為短肢剪力墻結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)布置見(jiàn)圖2。

圖2　方案1標(biāo)準(zhǔn)層梁板布置

4.1結(jié)構(gòu)抗震分析

從構(gòu)件力學(xué)特性上來(lái)說(shuō)，短肢剪力墻的肢長(zhǎng)與肢厚比大于等于5，更接近于剪力墻，故計(jì)算時(shí)將短肢剪力墻作為剪力墻而不是柱考慮應(yīng)更合理。軟件SA TWE采用的是在每個(gè)節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度的殼元基礎(chǔ)上凝聚而成的墻元模擬剪力墻墻元，不僅具有平面內(nèi)剛度也具有平面外剛度，可以較好地模擬工程中剪力墻的真實(shí)受力狀態(tài)，計(jì)算結(jié)果較精確；同時(shí)，對(duì)樓板SA TWE可以考慮其彈性變形。雖然主樓結(jié)構(gòu)平面較規(guī)則，立面也無(wú)剛度突變現(xiàn)象，但由于剛度較大的電梯井處筒體有點(diǎn)偏置，會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。為了計(jì)算準(zhǔn)確，地震作用計(jì)算考慮了結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)和5%偶然偏心的影響，取了20個(gè)振型計(jì)算。

4.2自振周期的控制

考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)時(shí)的自振周期（計(jì)算時(shí)自振周期折減系數(shù)取0.95）如表1（只列了前8個(gè)）所示。從表1可得：方案1結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第1自振周期T3=1.3496s，平動(dòng)為主的第1自振周期T1= 1.7132s，T3/T1=0.7878<0.9。

表1　結(jié)構(gòu)自振周期

4.3結(jié)構(gòu)位移的控制

風(fēng)荷載、地震荷載作用下最大層間位移角（應(yīng)≤1/1000）、最大水平位移與層平均位移的比值（不宜大于1.2，不應(yīng)大于1.5）及最大層間位移與平均層間位移的比值（不宜大于1.2，不應(yīng)大于1.5）見(jiàn)表2、表3。從表中可以看出優(yōu)化后方案1在風(fēng)荷載和地震作用下的位移均能很好地滿(mǎn)足規(guī)范限值。

表2　風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)位移

表3　地震作用下的結(jié)構(gòu)位移

4.4剪重比、剛重比控制

剪重比是反映結(jié)構(gòu)承受地震作用大小的指標(biāo)之一。地震力計(jì)算不能偏大，但也不能太小。因?yàn)槎讨袅Ρ旧淼挚沟卣鸬哪芰^差，如果短肢剪力墻分配的地震力太大，則很有可能不滿(mǎn)足要求。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》要求的X、Y向樓層最小剪重比均為0.8～1%，由表4知方案1的X方向的最小剪重比為0.84%，Y方向?yàn)?.83%。

剛重比是影響重力二階（p-Δ）效應(yīng)的主要參數(shù)，且重力二階效應(yīng)隨著結(jié)構(gòu)剛重比的降低呈雙曲線(xiàn)關(guān)系增加。高層建筑在風(fēng)荷載或水平地震作用下，若重力二階效應(yīng)過(guò)大則會(huì)引起結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)倒塌，故控制好結(jié)構(gòu)的剛重比，則可以控制結(jié)構(gòu)不失去穩(wěn)定。由表4知方案1的X方向、Y方向的剛重比均滿(mǎn)足規(guī)定，所以各層均滿(mǎn)足要求。

4.5軸壓比控制

軸壓比是體現(xiàn)墻肢抵抗重力荷載代表值作用下的能力。為了控制在地震力作用下結(jié)構(gòu)的延性，“高規(guī)”和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)剪力墻均提出了軸壓比的計(jì)算要求?！案咭?guī)”對(duì)短肢剪力墻（尤其一字墻肢）要求更高一些，“高規(guī)”規(guī)定：抗震等級(jí)為一、二、三時(shí)剪力墻最大軸壓比分別不宜大于0.5、0.6和0.7。原方案底部剪力墻最大軸壓比為0.58，方案1為0.59，相對(duì)來(lái)說(shuō)優(yōu)化后的方案1較原方案合理些。

表4　結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的剪重比、剛重比

4.6結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)分析

為了與工程實(shí)際情況相符，假設(shè)混凝土的成本與混凝土的體積成正比，鋼筋的成本與鋼筋的體積成正比。在總造價(jià)上，暫不考慮模板及樓板等工程的造價(jià)影響，由表5知：優(yōu)化后的方案1比原結(jié)構(gòu)在總造價(jià)上要節(jié)約19.3%。

表5　兩種設(shè)計(jì)方案概預(yù)算

通過(guò)原方案和方案1的電算分析指數(shù)表明，方案1的豎向結(jié)構(gòu)體系的截面面積雖然較小，但仍可保證滿(mǎn)足承載力、剛度、位移的要求。顯而易見(jiàn)，優(yōu)化后的方案不僅節(jié)約了業(yè)主的投資費(fèi)用，更重要的是節(jié)約了資源。

5　結(jié)束語(yǔ)

對(duì)房屋建筑中的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的目的主要是為了使建筑物

[1]趙良恒.房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性及優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用探討[J].建筑，2014，36（22）：518～519.

[2]孫有果.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用探討[J].科技致富向?qū)В?011，33（02）：326～327.

[3]張啟智，姜真.論房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用優(yōu)化技術(shù)[J].城市建設(shè)理論研究，2014，34（9）：435～436.

[4]張鵬.探討房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的常見(jiàn)問(wèn)題[J].中國(guó)建筑金屬結(jié)構(gòu)，2013，43（2）：257～258.

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1673-0038（2015）18-0033-03

2015-4-13

梁雯（1970-），男，中級(jí)工程師，本科，主要從事建筑工程管理工作。