李穎芬

（鶴山市建筑設(shè)計院有限公司 廣東江門　529700）

房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法的應(yīng)用

李穎芬

（鶴山市建筑設(shè)計院有限公司 廣東江門529700）

隨著我國的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，建筑業(yè)也不斷發(fā)展。對于現(xiàn)代建筑而言，只有合理的規(guī)劃設(shè)計是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，由于人們生活水平的日益增長，對建筑的外觀要求也越來越高，這給建筑業(yè)帶來了新的挑戰(zhàn)。本文主要針對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，進(jìn)行了相關(guān)研究，根據(jù)我國現(xiàn)階段的建筑發(fā)展和社會國情，分析了房屋結(jié)構(gòu)在設(shè)計中存在的一些問題，并提出了相關(guān)建議和具體的應(yīng)對措施。

建筑結(jié)構(gòu)；優(yōu)化方法；房屋結(jié)構(gòu)

由于強(qiáng)大的市場競爭背景，使得建筑行業(yè)在技術(shù)上面臨著巨大考驗，特別是優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，其好壞直接影響建筑物的質(zhì)量[1]。此外，采用優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法可以提高資源利用率，降低開發(fā)商的投資成本，減少浪費(fèi)，節(jié)約資源，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。因此，在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要采用優(yōu)化方法來滿足建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性、安全性以及觀賞性。

1　建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化在房屋結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用意義

近年來，房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計的技術(shù)一直在不斷完善，為了迎合市場需要，只有通過采取優(yōu)化方法才能在取得利益的同時，達(dá)到成本控制[2]。①建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法應(yīng)用到房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中，可以有效提升房屋質(zhì)量，使房屋的外觀更具有觀賞價值。②通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以合理配置資源，節(jié)約成本，提高企業(yè)的市場競爭力。同時，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，為建筑施工過程提供了科學(xué)的施工方法，保證了房屋設(shè)計的合理性?？傊ㄖY(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用意義重大。

2　結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用的注意事項

2.1在應(yīng)用過程中應(yīng)注意前期參與

目前，很多建筑師在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時都忽視前期方案的參與，使得建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計受到很大影響，尤其是在合理性和可行性方面都有很大偏差，從而影響建筑的整體質(zhì)量[3]。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的前期參與對建筑結(jié)構(gòu)有著重大意義，不僅保證了建筑質(zhì)量，還降低了施工難度，減少了成本投資，為整個房屋設(shè)計都打下了良好基礎(chǔ)。

2.2概念設(shè)計結(jié)合細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

一般來說，為了避免一些突發(fā)事件的影響，在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，都應(yīng)采取概念設(shè)計的方法，減少計算誤差，確保設(shè)計的精準(zhǔn)度。在采用概念設(shè)計時，需要將數(shù)值作為輔助和參考的依據(jù)，要求設(shè)計人員結(jié)合細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，取得理想的設(shè)計效果。

2.3下部地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

由于樁端持力層對灌注樁樁長的選擇影響很大，因此，在對地基基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化時，要根據(jù)施工條件和地質(zhì)情況來決定優(yōu)化方案。為了減少資源浪費(fèi)，避免充分工程，可以采取設(shè)定多種方案，通過多方面的比較，最后決定最適合的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方案[4]。

3　結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)的具體應(yīng)用步驟

3.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型

主要通過三個步驟完成：①選擇設(shè)計變量。通常情況下，都會把對結(jié)構(gòu)設(shè)計產(chǎn)生主要作用的參數(shù)選為設(shè)計變量，其他對結(jié)構(gòu)設(shè)計影響不大或只是針對局部設(shè)計的參數(shù)作為預(yù)訂參數(shù)，這樣的做法可以有效提高設(shè)計的效率，減少工作量；②確定目標(biāo)函數(shù)。選用一組滿足預(yù)定條件的截面幾何尺寸和鋼筋截面積以及失效概率，達(dá)到減少成本的作用[5]；③確定約束條件。在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中，主要包括尺寸約束、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度約束和結(jié)構(gòu)體系約束等。要達(dá)到最優(yōu)設(shè)計，必須比較房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中實際的約束條件與目標(biāo)約束條件，從而保證各約束條件都符合標(biāo)準(zhǔn)。

3.2確定優(yōu)化設(shè)計計算方法

由于房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計是一項極其復(fù)雜的工作，在優(yōu)化方面，需要考慮復(fù)雜的多變量和多約束非線性等問題，在計算過程中，通常是將有約束優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為無約束問題求解。一般都利用復(fù)合形法、拉氏乘子法和Powell法等優(yōu)化設(shè)計計算方法。

3.3程序設(shè)計

在程序設(shè)計方面，不僅要考慮結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型以及優(yōu)化設(shè)計計算方法，還要編制功能齊全、運(yùn)算速度快的綜合程序。

4　建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用要點

4.1選擇節(jié)能指標(biāo)較高的結(jié)構(gòu)類型

房屋結(jié)構(gòu)形式的選擇對于建設(shè)模式有著重大影響，一般都是采用以下三種結(jié)構(gòu)：

4.1.1短肢剪力墻結(jié)構(gòu)

所謂短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，就是以混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程為依托，主要運(yùn)用在高層建筑。這種結(jié)構(gòu)在抗震功能和配筋率上明顯高于普通剪力墻，由于短肢剪力墻結(jié)構(gòu)鋼筋使用數(shù)量不多，所以在應(yīng)用時要結(jié)合實際情況來考慮。

4.1.2框架結(jié)構(gòu)

框架結(jié)構(gòu)具有布局靈活性強(qiáng)和造價成本低的優(yōu)點，由于柱截面較大，形成的柱角凸出部位會影響屋內(nèi)美觀，所以不建議采用。

4.1.3框架-剪力墻結(jié)構(gòu)

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)就是結(jié)合以上兩種的功能，即在框架結(jié)構(gòu)中進(jìn)行剪力墻的布置，在布置過程中要注意合理性，該結(jié)構(gòu)具有適用能力強(qiáng)和抗側(cè)力較好的優(yōu)點，而且可以靈活抵擋各種變形。

4.2細(xì)部優(yōu)化

4.2.1抗震縫的處理

由于抗震縫以往的標(biāo)準(zhǔn)不能避免碰撞，因此，要增大抗震縫的間距，保證房屋結(jié)構(gòu)的安全性。

4.2.2懸挑梁的設(shè)計

當(dāng)出挑長度較短時與挑板不同時，挑梁的自重占總荷載的比例較小，懸挑梁作成變截面難以減輕自重，且施工難度較大，因此，適合做成等截面。但是對于外露的大挑梁可結(jié)合實際情況做成變截面，增加建筑美感。

4.3結(jié)構(gòu)設(shè)計信息優(yōu)化技術(shù)

房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程比較繁瑣，不能采用單一的方法，需要借助優(yōu)化軟件來提高工作效率?？梢圆捎肨BCAD系統(tǒng)，該系統(tǒng)的優(yōu)化處理通過兩個時間段進(jìn)行，包括材料的分配調(diào)整和構(gòu)件強(qiáng)度。其中，對材料的分配調(diào)整時，為了達(dá)到側(cè)向剛度的要求，使用最少的混凝土，系統(tǒng)在這個時間段的目標(biāo)函數(shù)是混凝土的使用量，而結(jié)構(gòu)構(gòu)件的斷面大小則是設(shè)計的變量。其次，對構(gòu)件強(qiáng)度的優(yōu)化是通過對構(gòu)件結(jié)構(gòu)的斷面大小以及鋼用量的調(diào)整，在達(dá)到構(gòu)件的強(qiáng)度要求的同時，還降低了結(jié)構(gòu)的造價。

4.4材料的優(yōu)化選擇

房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的最佳效果就是用最少的成本做出高質(zhì)量的建筑，這就要求重視對材料的優(yōu)化選擇。在選擇過程中，要控制好鋼筋與混凝土強(qiáng)度的配比，充分發(fā)揮材料的優(yōu)化作用。

5　案例分析

5.1工程概況

以某房屋建筑為例，從各方面分析結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化方法，房屋的具體信息詳見表1，建筑框架結(jié)構(gòu)詳見圖1。

表1　某房屋建筑的基本信息

圖1　某房屋建筑框架結(jié)構(gòu)平面圖

5.2房屋結(jié)構(gòu)體系的選擇

由于該房屋結(jié)構(gòu)主要考慮的是框排架結(jié)構(gòu)，因此在優(yōu)化設(shè)計時，采用的是單向鋼架（橫向）結(jié)合支撐（縱向）的體系。在設(shè)計主框架結(jié)構(gòu)時，以等截面的標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計夾層梁和屋面梁。

5.3夾層樓面次梁的設(shè)計

在優(yōu)化設(shè)計過程中，以平面結(jié)構(gòu)模型為框架模型。對于夾層樓面次梁的設(shè)計，主要分兩個步驟：①夾層處按照空間建模，樓面梁按照非組合梁計算；②磁療采用鉸接連接，設(shè)計參數(shù)都要控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

5.4墻梁的設(shè)計

為了減少成本，節(jié)省鋼量，在墻梁設(shè)計時，可以采取減薄鋼板厚度的方法來滿足設(shè)計要求。

5.5系桿支撐系統(tǒng)的設(shè)置

該工程的柱頂采用的是圓管作為系桿，吊車梁標(biāo)高處采用的是吊車梁作為系桿，這樣的設(shè)計可以明顯減少柱平面外的計算長度，降低難度。系桿支撐系統(tǒng)的設(shè)置還要根據(jù)變化適時調(diào)整支撐截面。

6　結(jié)束語

鑒于人們的審美意識逐漸增強(qiáng)，建筑物不僅要具有經(jīng)濟(jì)實用的優(yōu)點，還要具有觀賞價值，滿足市場需求。通過優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以有效提高建筑物的美觀程度，值得廣泛應(yīng)用在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中。

[1]劉清華.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2014（6）.

[2]景毅.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中的運(yùn)用分析[J].科技資訊，2014（27）：36.

[3]王也.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用[J].中華民居，2013（9）：81～82.

[4]王小引.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用研究[J].江西建材，2015（5）：24.

[5]王勝飛，王永標(biāo).房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法的應(yīng)用[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計，2014（33）：142.

TU318

A

1673-0038（2015）20-0003-02

2015-4-2

李穎芬（1987-），女，助理工程師，本科，主要從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。