唐 陶

（合肥都市規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)事務(wù)所安徽 合肥 230000）

房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)優(yōu)化的運(yùn)用分析

唐 陶

（合肥都市規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)事務(wù)所安徽 合肥 230000）

目前房屋建筑行業(yè)的成本消耗非常大，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和造價(jià)的優(yōu)化勢(shì)在必行，既能保證房屋的安全性，也可以有效的節(jié)約成本。本文對(duì)房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)優(yōu)化及其運(yùn)用進(jìn)行了淺要的分析，對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行舉例，并且闡述了設(shè)計(jì)優(yōu)化的必要性和意義。

房屋結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)；優(yōu)化

引言

經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)決定上層建筑。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，房屋建筑行業(yè)的發(fā)展勢(shì)頭逐步攀升，其競(jìng)爭(zhēng)力也就越來(lái)越大。房屋建筑行業(yè)的造價(jià)在其經(jīng)濟(jì)比重中分量很大，若能在初始的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，使得房屋建筑的全部資源得到更優(yōu)化的使用和配置，這樣既能提高自身實(shí)力，更重要的是，能夠響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，節(jié)約資源，優(yōu)化成本，提高房屋安全度和使用性，實(shí)現(xiàn)資源的最大利用率。

1　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的原則

主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)方案的選擇上。

（1）為避免結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)以及層高突變對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，造成結(jié)構(gòu)布置不規(guī)則從而導(dǎo)致房屋安全性較差，應(yīng)使結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度和質(zhì)量重心盡量靠近，優(yōu)先選用平面和豎向布置規(guī)則的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

（2）因?yàn)閭髁^(guò)程復(fù)雜從而使結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)多次、多級(jí)的轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)容易疲勞，從而產(chǎn)生安全問(wèn)題，相應(yīng)的工程造價(jià)也會(huì)提高。因此在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)應(yīng)該盡可能使結(jié)構(gòu)的傳力和受力直接、簡(jiǎn)單。

（3）結(jié)構(gòu)的抗震承載力、延性以及抗側(cè)移剛度是非常重要的力學(xué)性能指標(biāo)，所以抗震概念設(shè)計(jì)應(yīng)該成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)，在特點(diǎn)的平面和空間中配合結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的性能達(dá)到最佳的受力狀態(tài)。

（4）在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候，結(jié)構(gòu)工程師加強(qiáng)與建筑師的溝通，理論和實(shí)踐充分結(jié)合，設(shè)計(jì)出效果最好、造價(jià)最低的最佳的結(jié)構(gòu)方案。

2　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的應(yīng)用

應(yīng)用方法：

2.1對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行優(yōu)化

①處理設(shè)計(jì)工作的冗余度，選出最影響本身設(shè)計(jì)的因素作為設(shè)計(jì)變量，其余變量為預(yù)定參數(shù)；②在控制總費(fèi)用成本的基礎(chǔ)上，將預(yù)定參數(shù)的各種建筑尺寸與相關(guān)數(shù)據(jù)用函數(shù)表示出來(lái)；③在大方面上制定好設(shè)計(jì)中需要約束的條件，比如房屋的尺寸、結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度、變形適應(yīng)能力以及相關(guān)參數(shù)等；④在相關(guān)條件的約束下，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)和表達(dá)形式，將影響結(jié)構(gòu)最優(yōu)設(shè)計(jì)的具體參數(shù)發(fā)掘并提煉出來(lái)，建立起設(shè)計(jì)的函數(shù)模型。

2.2對(duì)設(shè)計(jì)計(jì)算方案進(jìn)行優(yōu)化

房屋設(shè)計(jì)方案由于變量較多，各種數(shù)據(jù)比較復(fù)雜，但是可靠度要求有非常高。因此，在優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，將限制性的問(wèn)題轉(zhuǎn)變成無(wú)限定的問(wèn)題，采用拉式乘子發(fā)和Powell算法等優(yōu)化計(jì)算方案進(jìn)行計(jì)算。

3　應(yīng)用環(huán)節(jié)

3.1前期設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)

具體到監(jiān)管工作中，蚌埠市局注重問(wèn)題導(dǎo)向，突出專(zhuān)項(xiàng)治理，全面推行量化分級(jí)和風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)管理，致力完善身份可查、信息可溯、風(fēng)險(xiǎn)可控、問(wèn)題可追的全程安全追溯體系。規(guī)范食用農(nóng)產(chǎn)品批發(fā)、連鎖企業(yè)及38家農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)的經(jīng)營(yíng)行為，改造提升78家學(xué)校食堂，集中改造了百大飲食群（篾匠街）、張公山美食城等飲食街，使437家餐飲單位“明廚亮灶”改造達(dá)標(biāo)，1981家小餐飲、20條餐飲服務(wù)一條街通過(guò)示范店、示范街驗(yàn)收。

目前，房屋的前期設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，沒(méi)有充分考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和有效性，有些因素會(huì)導(dǎo)致房屋設(shè)計(jì)的負(fù)面影響。因?yàn)榍捌谠O(shè)計(jì)環(huán)節(jié)與整個(gè)項(xiàng)目的總造價(jià)息息相關(guān)，因此應(yīng)該在此環(huán)節(jié)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，保障設(shè)計(jì)的合理性，為整體的房屋設(shè)計(jì)開(kāi)啟良好的開(kāi)端。

3.2基礎(chǔ)和地基設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)

萬(wàn)丈高樓平地起，基礎(chǔ)和地基是整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之處，隨著建筑行業(yè)的發(fā)展，地基建設(shè)也有非常多的樣式，應(yīng)該根據(jù)不同的形式從實(shí)際出發(fā)，通過(guò)良好的地基勘測(cè)計(jì)劃，秉承節(jié)約造價(jià)、優(yōu)化方案的原則，從選擇良好的地樁開(kāi)始，考察不同結(jié)構(gòu)的受力情況，選擇最佳的設(shè)計(jì)方案，使地基結(jié)構(gòu)擁有最優(yōu)規(guī)劃。

3.3抗震概念設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)

抗震概念設(shè)計(jì)在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中占有舉足輕重的地位，其優(yōu)化方案主要應(yīng)用在抗震設(shè)計(jì)中。普通的使用抗震設(shè)防烈度作為設(shè)計(jì)案例進(jìn)行設(shè)防是有非常大的不確定性的，所以應(yīng)該在具體的設(shè)計(jì)過(guò)程中將房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法靈活的應(yīng)用在抗震設(shè)計(jì)中，以達(dá)到最佳的設(shè)計(jì)參數(shù)值。在抗震設(shè)計(jì)中，還必須要注意細(xì)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。將結(jié)構(gòu)中的某一細(xì)節(jié)板或柱的選用作為另一個(gè)具體的設(shè)計(jì)方案要求，考慮其各方面的參數(shù)要求，如承受力矩能力、鋼筋的選用等，從而保障其在整體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，滿足結(jié)構(gòu)優(yōu)化的具體條件，不僅結(jié)構(gòu)的安全能夠得到保障，也能夠達(dá)到有效的經(jīng)濟(jì)效益。

4　應(yīng)用舉例

4.1房屋抗震設(shè)計(jì)的優(yōu)化

抗震概念設(shè)計(jì)秉承實(shí)用、安全、經(jīng)濟(jì)的原則，然而不同地方的不同房屋結(jié)構(gòu)對(duì)抗震技術(shù)的要求均不同（如表1），應(yīng)根據(jù)地震本身的特點(diǎn)和對(duì)應(yīng)地區(qū)房屋的要求進(jìn)行優(yōu)化。

（1）要在最大程度上較少地震造成的破壞，在房屋結(jié)構(gòu)的主體和基礎(chǔ)連接部分安裝隔震層，最大能力的隔絕地震的能量。或者在房屋頂部設(shè)計(jì)反擺，利用其產(chǎn)生的阻尼作用，抵消地震作用。

表1　不同省份房屋材質(zhì)所占比例

表2　抗震墻之間樓屋蓋的找寬比

（3）要著重注意房屋縱向的布局。嚴(yán)禁出現(xiàn)頭重腳輕、剛度度大等現(xiàn)象，使平面和縱向的各種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明確，剛度和質(zhì)量中心盡量重合，減少鞭梢效應(yīng)的發(fā)生。

當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重特殊事故的時(shí)候，必須采取相應(yīng)補(bǔ)救措施，如立即對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行劃隔或者增加抗震縫等，來(lái)減輕地震帶來(lái)的嚴(yán)重后果。

4.2細(xì)部結(jié)構(gòu)——構(gòu)造柱的優(yōu)化

圖1　構(gòu)造柱

構(gòu)造柱的主要設(shè)立部分為縱橫墻的交界處、墻的轉(zhuǎn)角處和墻的中部、休息平臺(tái)處等，但是近年來(lái)構(gòu)造柱的尺寸普遍加大，而且在其他的不必要地方也設(shè)置了構(gòu)造柱。除了樓梯四角、墻柱交界處等必須設(shè)置的地方，其他地方為增加美觀或者小部分裝飾的構(gòu)造柱，可以去除掉，從而降低造價(jià)。

不同的抗震烈度下的構(gòu)造柱尺寸不同，構(gòu)造柱之中的鋼筋直徑也不相同?？梢愿鶕?jù)相應(yīng)的抗震設(shè)防要求，將鋼筋直徑和構(gòu)造柱截面尺寸進(jìn)行相互協(xié)調(diào)，一定量的優(yōu)化鋼筋和構(gòu)造柱的尺寸，從而降低造價(jià)。

5　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的意義

為適應(yīng)我國(guó)國(guó)情的發(fā)展形勢(shì)，高層建筑越來(lái)越成為主體建筑，從而為追求其成本的最低化，房屋設(shè)計(jì)工作者將技術(shù)與經(jīng)濟(jì)效益有效的進(jìn)行結(jié)合，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)優(yōu)化方案才能確保實(shí)現(xiàn)最大的經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

5.1降低結(jié)構(gòu)的總造價(jià)

通過(guò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，建筑占地面積減少，節(jié)約了用地成本。由于層數(shù)的增加，基礎(chǔ)的承受能力需要加大，從而增大基礎(chǔ)面積，通過(guò)優(yōu)化使單位面積的造價(jià)降低，并且充分利用各方面的資源，減少了開(kāi)銷(xiāo)，從而降低造價(jià)。采用設(shè)計(jì)優(yōu)化的技術(shù)可以降低總造價(jià)5～30%。

5.2提高房屋結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性

通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化的技術(shù)上的改變，可以最合理的利用各方面材料的性能，從而是結(jié)構(gòu)內(nèi)部各方面更好的相互協(xié)調(diào)，不僅能夠達(dá)到實(shí)用和安全的效果，而且能夠使房屋美觀且便于施工。從而滿足了房屋建筑結(jié)構(gòu)對(duì)經(jīng)濟(jì)效益的需求，適應(yīng)了市場(chǎng)對(duì)可持續(xù)發(fā)展的需求。

6　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化注意的問(wèn)題

計(jì)算模型數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)，不要盲目依賴計(jì)算機(jī)，對(duì)于結(jié)構(gòu)的限制條件和應(yīng)用范圍要搞清楚；在輸入尺寸和數(shù)據(jù)時(shí)，力求準(zhǔn)確無(wú)誤。

計(jì)算模型的參數(shù)要選取的正確合理，而且要注意和實(shí)際結(jié)構(gòu)的差異，通過(guò)結(jié)構(gòu)的概念和工作的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)的分析，力求合理準(zhǔn)確。

目前的很多建筑的結(jié)構(gòu)布局和設(shè)計(jì)也非常合理，計(jì)算機(jī)的計(jì)算分析對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)屬于比較薄弱的環(huán)節(jié)，盡量避免為追求優(yōu)化的效果，而盲目的減少尺寸，從而造成不必要的后果。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的環(huán)節(jié)，建筑工程師要一起討論確定，集眾人之力完成優(yōu)化任務(wù)。

7　結(jié)束語(yǔ)

房屋結(jié)構(gòu)優(yōu)化能夠使房屋變得更加安全、美觀、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)，也認(rèn)識(shí)到初期方案設(shè)計(jì)的制定依據(jù)概念性設(shè)計(jì)的重要性。只要一直秉持對(duì)房屋質(zhì)量和安全的理念，不斷對(duì)房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，會(huì)促進(jìn)我們的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，從而改善我們的生活質(zhì)量。

[1]李峰.淺談現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].建筑科學(xué)，2010，3（9）：80～84.

[2]張炳華.土建結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2008，9（15）：34～36.

[3]曲浩.淺談結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)與其在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].科技與企業(yè)，2013（04）.

TU318

A

1673-0038（2015）18-0005-02

2015-4-10

唐陶（1980-），男，中級(jí)，本科，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。