聶永兵（湖南省建筑設(shè)計(jì)院，湖南長沙410011）

論結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與策略

聶永兵（湖南省建筑設(shè)計(jì)院，湖南長沙410011）

本文主要是根據(jù)建筑工程中的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在有待優(yōu)化的問題，從而根據(jù)建筑設(shè)計(jì)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行一系列的鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)等，具體針對鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)相關(guān)原則、鋼結(jié)構(gòu)在建筑中的設(shè)計(jì)、鋼結(jié)構(gòu)的基本優(yōu)化方案以及其現(xiàn)實(shí)生活中存在的問題與解決辦法等方面進(jìn)行系統(tǒng)的分析，希望通過本文的研究，能夠?yàn)樵诮ㄖこ讨械匿摻Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化；鋼結(jié)構(gòu)；建筑工程；應(yīng)用價值

1 引言

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)這一門新技術(shù)是最近幾十年發(fā)展起來的新型技術(shù)手段，該技術(shù)的出現(xiàn)使得設(shè)計(jì)者由原來的被動分析、核實(shí)，轉(zhuǎn)變成主動設(shè)計(jì)、規(guī)劃了，從本質(zhì)上改變了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。就目前結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的成功經(jīng)驗(yàn)來看[1]，其與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)相比較，最主要的就是可以有效降低工程的造價。另外，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠科學(xué)、合理地運(yùn)用各種材料的性能，能夠使該材料在應(yīng)有的結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)揮出其最優(yōu)化的狀態(tài)，并且能夠使其安全性能大大提高，與此同時還可以為整體性的方案進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)決策[2]?？偠灾?，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是能夠使設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)適用、經(jīng)濟(jì)、安全等一系列優(yōu)點(diǎn)。

2 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則

針對鋼結(jié)構(gòu)在實(shí)際設(shè)計(jì)中的穩(wěn)定性問題[3]，本文主要提出以下三個基本原則，并對該三項(xiàng)原則進(jìn)行了詳細(xì)的闡明，以此來保證在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在穩(wěn)定性問題上能夠得到有效的保障。

2.1 針對結(jié)構(gòu)整體的布置必須要充分考慮整體以及相應(yīng)組成部分的穩(wěn)定性要求

就目前的這些建筑而言，其絕大多數(shù)是按照平面體系來進(jìn)行設(shè)計(jì)的，例如框架等。為了能夠確保這些平面結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)平面失穩(wěn)的情況，就需要對其整體結(jié)構(gòu)的布局上來解決，并且其設(shè)計(jì)還必須要一定的支撐部件等。綜合來講，就是要求平面結(jié)構(gòu)的構(gòu)件出穩(wěn)定的平面計(jì)算就必須要求與結(jié)構(gòu)布置相一致。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算的簡圖與實(shí)用計(jì)算方法依據(jù)的簡圖一致

針對目前的設(shè)計(jì)單元與多層框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，對其不會經(jīng)常做一些框架穩(wěn)定的分析，取而代之的則是以框架柱的穩(wěn)定性計(jì)算。而針對采取這種方式時，計(jì)算框架柱的穩(wěn)定時要用到框架柱的長度計(jì)算系數(shù)，其應(yīng)該通過框架的整體穩(wěn)定性分析得出，只有這樣才能夠確保柱的穩(wěn)定計(jì)算與框架穩(wěn)定性計(jì)算具有等效的關(guān)系。不過，對于實(shí)際框架的種類是比較繁多的，為了能夠在實(shí)際設(shè)計(jì)中對其計(jì)算工作進(jìn)行簡化，就需要設(shè)定一些具有典型的相關(guān)條件。針對實(shí)際設(shè)計(jì)工程中，框架計(jì)算所使用的簡圖與實(shí)際使用的方法所依照的簡圖不一致的情況下可以具體分成以下兩種情況，即附有搖擺拄的框架和橫梁受有較大壓力的框架。依據(jù)實(shí)際情況，若要對其進(jìn)行規(guī)范性的系數(shù)計(jì)算，都會存在著導(dǎo)致的不安全的后果，因此工程設(shè)計(jì)中所使用的計(jì)算方法要與之前假設(shè)和具體計(jì)算的對象相一致。

2.3 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)造和構(gòu)件的穩(wěn)定計(jì)算必須相互配合，使二者有一致性

要求機(jī)構(gòu)計(jì)算與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相一致，一直是在工程設(shè)計(jì)中值得關(guān)注的重要問題。針對那些要求傳遞彎矩與不傳遞彎矩節(jié)點(diǎn)的連接而言，其應(yīng)該對其分別賦予足夠的剛度、柔度，對其桁架節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)盡量減少桿件偏心，這些設(shè)計(jì)問題都是需要在注意結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)中常常被考慮的主要問題。然而，該設(shè)計(jì)在涉及到穩(wěn)定性時，結(jié)構(gòu)在進(jìn)行構(gòu)造時會出現(xiàn)不同強(qiáng)度上的要求的考慮。就拿簡支梁抗彎強(qiáng)度而言，針對那種不動鉸支座的要求只是對其位移情況進(jìn)行了阻止，但允許其在規(guī)定的平面內(nèi)轉(zhuǎn)動。雖然在上述實(shí)例中能夠進(jìn)行有效的解決，但在處理梁整體穩(wěn)定性時就顯得不能夠完全滿足了。

3 鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)

在建筑工程中，鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)就是鋼結(jié)構(gòu)成功運(yùn)用的典范實(shí)例。但是為了能夠確保鋼結(jié)構(gòu)在建筑中合理、有效，就應(yīng)該在設(shè)計(jì)的過程中精益求精。在現(xiàn)代化的建筑工程鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，最為關(guān)鍵的兩個步驟就是正確選擇鋼結(jié)構(gòu)方案以及正確計(jì)算其鋼結(jié)構(gòu)的截面高度。

3.1 鋼結(jié)構(gòu)建筑整體與局部精細(xì)設(shè)計(jì)

對于建筑而言，其不僅需要有非常美觀的外部結(jié)構(gòu)，還需要注重對建筑間的相互協(xié)調(diào)的能力進(jìn)行良好的設(shè)計(jì)。而在建筑中，鋼結(jié)構(gòu)的建筑也是非常重要的一種，其在具有鋼自身建筑的特殊性同時，同樣也存在這普通建筑的一般性。因此在對鋼結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)時，一定要同時滿足上述兩種要求。由于鋼結(jié)構(gòu)具有其獨(dú)特的性質(zhì)，因此在對其進(jìn)行設(shè)計(jì)建造時，會致使其部分細(xì)節(jié)的部位出現(xiàn)部分的偏差或者裸露在建筑外面。因此對鋼結(jié)構(gòu)建筑在設(shè)計(jì)時，在保證建筑外觀與建筑功能比較完美的情況下，盡量將設(shè)計(jì)的過程進(jìn)行精細(xì)化、嚴(yán)格化。

3.2 鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定設(shè)計(jì)

在建筑工程設(shè)計(jì)中，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)是眾多設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)，雖然其在單純的設(shè)計(jì)中并不需要考慮前置等一系列條件，但是其需要在日后維護(hù)中是比較重要的，因此在對建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)時，對鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)也是非常重要的研究對象。針對鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)中出現(xiàn)失穩(wěn)的狀況主要分為兩種，即整體性失穩(wěn)、局部性失穩(wěn)。所謂的整體性失穩(wěn)就是指通過對整體框架穩(wěn)定性作為研究對象，在計(jì)算過程中可以根據(jù)長細(xì)比穩(wěn)定系數(shù)來帶人進(jìn)行驗(yàn)證；而局部性失穩(wěn)則是指框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)部由某一處結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的失穩(wěn)狀況，其通過間接的方式來影響整體的穩(wěn)定性。因此針對鋼結(jié)構(gòu)在建筑整體布置中，一定要考慮其局部和整體的穩(wěn)定性來進(jìn)行設(shè)計(jì)、建造。

4 選擇鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的基本原則

針對鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，將結(jié)構(gòu)平面布置主要包含有：質(zhì)量中心、抗側(cè)力剛度中心、外力作用中心等盡量保持其重合、接近，這樣就能夠避免或減小在外力的作用下使結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)的效應(yīng)。針對其扭轉(zhuǎn)進(jìn)行抵抗的過程中，需要將所使用材料的用量進(jìn)行數(shù)量上的增加，這樣就會出現(xiàn)不規(guī)則的結(jié)構(gòu)平面的布置，最終的結(jié)構(gòu)就會導(dǎo)致建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)建造不安全、不經(jīng)濟(jì)。

而對于結(jié)構(gòu)中的安全、可靠性要保持高度的一致性，對于建筑設(shè)計(jì)中的每一個細(xì)節(jié)、構(gòu)件都要認(rèn)真的考慮，使其最大效應(yīng)發(fā)揮到極致，這樣就能夠使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與構(gòu)建相互協(xié)調(diào)、統(tǒng)一，使設(shè)計(jì)的目標(biāo)水平顯現(xiàn)出來，實(shí)現(xiàn)其既安全有經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)理念。

對整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行總體的構(gòu)思時，一定要將上述的建筑設(shè)計(jì)理念應(yīng)用到建筑當(dāng)中，使其結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)之間、結(jié)構(gòu)與部分構(gòu)件之間的關(guān)系進(jìn)行合理的處理，使其在整體中保持最佳的受力狀態(tài)，將其應(yīng)有的作用有效的發(fā)揮出來，使結(jié)構(gòu)擁有良好的延伸性以及足夠的剛度、承載力等。

在一定程度上，要將其結(jié)構(gòu)上受力、力的傳播途徑進(jìn)行簡單、直觀的表現(xiàn)出來。若是比較復(fù)雜的傳力途徑，其顯現(xiàn)出來的結(jié)構(gòu)構(gòu)件則是經(jīng)過很多次的轉(zhuǎn)換而顯現(xiàn)出來的，這樣就會是造價、成本過高，并且還會產(chǎn)生過多的計(jì)算錯誤而對安全性造成嚴(yán)重的影響。如果能夠直接、簡單的將傳力途徑展現(xiàn)出來，就能夠使中間的傳遞構(gòu)件節(jié)省下來，進(jìn)而使其安全性能大大提高，造價方面也得到有效的降低。

5 鋼結(jié)構(gòu)住宅安裝設(shè)計(jì)的問題對策

（1）針對那些壓型鋼板在對其進(jìn)行裝、卸的過程中嚴(yán)禁直接使用鋼絲進(jìn)行捆綁吊起；而在運(yùn)輸?shù)倪^程中，應(yīng)對其盡量設(shè)有足夠的支點(diǎn)，防止其變形；在對鋼板進(jìn)行鋪設(shè)前一定要將其彎曲狀況校正好；保證鋼梁頂部的平面保持清潔、干凈。

（2）針對外墻板的選擇和開發(fā)是鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑中關(guān)鍵問題之一。其除了需要滿足外墻板的各項(xiàng)要求外，還要根據(jù)墻板原料的選擇，具體為生產(chǎn)場地、運(yùn)輸、安裝等條件。

（3）而對于那些主要以建筑設(shè)計(jì)為主導(dǎo)的鋼結(jié)構(gòu)建筑而言，其需要與其它專業(yè)緊密結(jié)合起來共同起作用。除此以外，鋼結(jié)構(gòu)建筑還需要注重一些特殊問題的解決，具體為：鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)勢的如何發(fā)揮、針對鋼結(jié)構(gòu)所帶來的建筑平、立面單調(diào)呆板問題的解決，以及鋼結(jié)構(gòu)建筑的防火、防腐等相關(guān)問題的解決。

（4）另一個重大的問題就是鋼結(jié)構(gòu)建筑的造價問題。根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況而言，鋼結(jié)構(gòu)建造的建筑在中、高檔建筑中，鋼結(jié)構(gòu)建筑都是一項(xiàng)比較系統(tǒng)性的工程，其應(yīng)從設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)輸、安裝、維修以及管理上進(jìn)行環(huán)環(huán)協(xié)調(diào)、管理，以此來保證在鋼結(jié)構(gòu)安全的前提下，來降低其造價，從而提高其綜合經(jīng)濟(jì)效益等。

（5）針對鋼結(jié)構(gòu)的布局而言，其主要的問題就是布局不規(guī)范，這樣就會在地震時造成損害。若要想使其做到安全、科學(xué)、合理，并且節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造有簡潔可靠，就需要在結(jié)合抗震性能與結(jié)構(gòu)的布局上進(jìn)行詳細(xì)地研究等。

6 結(jié)束語

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是一門比較綜合性質(zhì)的學(xué)科，其不僅需要相應(yīng)的理論作為支撐的基礎(chǔ)，還需要許多的成功經(jīng)驗(yàn)等，其在各個行業(yè)中都存在應(yīng)用的價值，非常具有研究的價值。結(jié)構(gòu)優(yōu)化在理論上對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更新的設(shè)計(jì)理念，能夠?yàn)槿祟愒谟邢薜馁Y源內(nèi)合理運(yùn)用打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。與此同時，結(jié)構(gòu)優(yōu)化的問題本身也為相關(guān)學(xué)科提出了比較新的任務(wù)，從而帶動相關(guān)學(xué)科的發(fā)展等。本文主要對結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容進(jìn)行研究，對其進(jìn)行了概括，希望為在今后的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)上提供相應(yīng)的幫助等。

[1]李 晶，鹿曉陽，陳世英.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論與方法研究進(jìn)展[A].工程建設(shè)，2007（06）：21～31.

[2]侯貫澤，劉樹堂，簡國威.工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論與方法.工程設(shè)計(jì)，2009，08：123.

[3]王自成.淺議建筑鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì).建筑設(shè)計(jì)，2014，22：89.

TU201

A

2095-2066（2016）24-0170-02

2016-8-8

聶永兵（1981-），男，工程師，碩士，主要從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等工作。