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近些年，人們對(duì)生活質(zhì)量和居住條件的要求不斷提升，相應(yīng)地，對(duì)建筑工程的綜合品質(zhì)也提出了更高的要求。與此同時(shí)，國(guó)家也出臺(tái)了相關(guān)政策呼吁建筑的節(jié)能化、高效化發(fā)展，這就要求建筑企業(yè)積極運(yùn)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，使有限的空間與資源的價(jià)值得到最大化發(fā)揮，進(jìn)而促進(jìn)建筑工程實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性發(fā)展目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，這對(duì)我國(guó)整個(gè)建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展來(lái)說(shuō)也是大有好處的。

1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的重要意義

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化有利于提高材料的有效利用率

對(duì)于我國(guó)這樣的發(fā)展中國(guó)家而言，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的主要目的就是以最少的資金建設(shè)出最好的建筑。站在優(yōu)化設(shè)計(jì)的層面來(lái)看，結(jié)構(gòu)性能最佳的方案并非一定是材料利用率最高的方案，這就要求設(shè)計(jì)者在開(kāi)展設(shè)計(jì)工作的時(shí)候必須注重對(duì)結(jié)構(gòu)材料的充分利用，與此同時(shí)，還要加強(qiáng)對(duì)各類(lèi)新型建筑材料的應(yīng)用，如鋼管混凝土結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)等。其中，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是在薄壁圓形鋼管中填入混凝土的一種全新結(jié)構(gòu)形式，其可將兩類(lèi)材料有機(jī)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)填入的混凝土來(lái)提高鋼管壁本身的穩(wěn)定性水平，同時(shí)，還可利用鋼管對(duì)核心混凝土產(chǎn)生的作用，使其處于三向受壓狀態(tài)，進(jìn)而增強(qiáng)其抗變形能力以及抗壓強(qiáng)度。與普通的鋼結(jié)構(gòu)相比，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在承載力和自重基本一致的情況下，可節(jié)省約50%的鋼材，同時(shí)還可簡(jiǎn)化焊接工序，有效降低焊接工作量。相較于普通混凝土而言，鋼管混凝土在確保鋼材使用量相近以及承載性能一致的基礎(chǔ)上，可減少大約50%的構(gòu)件截面面積，相應(yīng)的材料用量也可節(jié)省一半左右。事實(shí)證明，對(duì)房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，可顯著提升材料的利用率，使工程成本得到有效控制。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化有利于提高建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性

建筑的層高越高，其墻體面積和柱體積也會(huì)相應(yīng)地增加，進(jìn)而致使結(jié)構(gòu)的自重增大，各類(lèi)水電管線也會(huì)加長(zhǎng)。反之，若層高較低，便可大大節(jié)省材料，同時(shí)也能增強(qiáng)建筑的抗震性能，與此同時(shí)，建筑的總高度也會(huì)隨之下降，兩棟建筑之間的日照距離也會(huì)因此而縮短，這就間接節(jié)省了用地面積。在建筑面積相同的條件下，若選擇圓形或接近于方形的平面形狀，建筑外墻的周長(zhǎng)系數(shù)相對(duì)來(lái)說(shuō)較小，與此同時(shí)，建筑基礎(chǔ)以及內(nèi)外表面裝修也會(huì)隨之減少，這樣就能有效提高建筑的經(jīng)濟(jì)性能。從以往的工程實(shí)踐中可以看出，采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可使建筑工程的總造價(jià)降低6%～30%，從而使整個(gè)建筑工程的經(jīng)濟(jì)效益更為可觀。

2 當(dāng)前房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀

2.1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙不夠詳細(xì)

建筑工程施工中一個(gè)最為基礎(chǔ)的要素就是圖紙，這也是必不可少的一大關(guān)鍵要素，整個(gè)施工過(guò)程相關(guān)工作的開(kāi)展都需要以圖紙作為基本參照，只有設(shè)計(jì)出一個(gè)科學(xué)完善的建筑結(jié)構(gòu)圖紙，才能為施工提供方便，避免在后期出現(xiàn)不必要的變更。然而，當(dāng)前部分施工企業(yè)所提供的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙并不完善，圖紙中的細(xì)節(jié)內(nèi)容不夠詳細(xì)，經(jīng)常出現(xiàn)結(jié)構(gòu)類(lèi)型不明確、缺乏抗震等級(jí)要求、沒(méi)有規(guī)定墻體材料類(lèi)型等問(wèn)題，另外，還有些圖紙本身設(shè)計(jì)不夠?qū)I(yè)，沒(méi)有嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圖紙的繪制，圖紙中的內(nèi)容標(biāo)識(shí)也不是很清晰，這種不規(guī)范的設(shè)計(jì)圖紙對(duì)施工造成的不良影響非常大，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)率宫F(xiàn)場(chǎng)施工陷入混亂無(wú)序的狀態(tài)，最終引發(fā)施工安全事故。

2.2 基礎(chǔ)選型缺乏科學(xué)性

對(duì)于房屋建筑來(lái)說(shuō)，使用功能的重要性毋庸置疑，但安全性也是非常重要的，建筑物的安全水平主要是由建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性決定的。建筑結(jié)構(gòu)的選型是否科學(xué)、使用的材料是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求、承載性能是否達(dá)標(biāo)、抗震等級(jí)是否合理等，都會(huì)直接影響到建筑工程的整體安全水平。從當(dāng)前的現(xiàn)狀來(lái)看，我國(guó)建筑行業(yè)經(jīng)常出現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)選型不合理的問(wèn)題，如建筑承載性能偏低、施工基礎(chǔ)差等，這就極易導(dǎo)致建筑物在后期出現(xiàn)不均勻沉降的問(wèn)題，最終引發(fā)各種安全隱患。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用的步驟

3.1 建立結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型

要實(shí)現(xiàn)對(duì)房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效優(yōu)化，首先就必須建立科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化需要從大量變量中選擇出最為重要的參數(shù)，通過(guò)這些參數(shù)建立函數(shù)模型，從而計(jì)算出最優(yōu)解。一般來(lái)說(shuō)，模型的構(gòu)建主要可分成兩大環(huán)節(jié)：首先，應(yīng)選擇最為合理的設(shè)計(jì)變量，這是構(gòu)建模型的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，變量的設(shè)計(jì)將對(duì)參數(shù)的選擇產(chǎn)生直接影響，科學(xué)合理地對(duì)變量進(jìn)行計(jì)算可大大降低后期計(jì)算編程的工作量。其次，應(yīng)對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行確定。相關(guān)人員應(yīng)先找出符合函數(shù)條件的最優(yōu)解，然后再確定約束條件，約束條件具體主要涉及到彈塑性、強(qiáng)度和尺寸等方面。在對(duì)建筑整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的時(shí)候，必須確保上述約束條件都處在規(guī)定范圍內(nèi)，盡可能滿足設(shè)計(jì)的相關(guān)需求。

3.2 對(duì)計(jì)算方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)

在建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程中，各方面的約束條件以及變量參數(shù)都會(huì)直接影響到優(yōu)化過(guò)程。因此，在開(kāi)展相關(guān)計(jì)算工作的時(shí)候，必須將所有的約束條件轉(zhuǎn)化成非約束條件，保證整個(gè)優(yōu)化過(guò)程的順利完成。與此同時(shí)，還要綜合考慮變量的因素，采用科學(xué)有效的計(jì)算方式對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加以優(yōu)化。

3.3 程序設(shè)計(jì)

在完成計(jì)算方案優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，還要做好程序設(shè)計(jì)工作，首先需要對(duì)程序進(jìn)行合理編寫(xiě)，然后再將其導(dǎo)入到計(jì)算機(jī)之中，為后期計(jì)算工作的開(kāi)展奠定基礎(chǔ)，在進(jìn)行相關(guān)計(jì)算的時(shí)候，工作人員只需要將所需數(shù)據(jù)輸入到系統(tǒng)之中，就可通過(guò)設(shè)定好的程序計(jì)算出準(zhǔn)確而直觀的結(jié)果。

3.4 結(jié)果分析

建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的最后一環(huán)就是結(jié)果分析，所有計(jì)算機(jī)計(jì)算出的數(shù)據(jù)信息都需要經(jīng)過(guò)詳細(xì)的分析才能得出最終的結(jié)果，進(jìn)而以此為依據(jù)確定最佳的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。在開(kāi)展結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作的過(guò)程中，應(yīng)對(duì)各方面的阻礙因素進(jìn)行綜合考慮，最大限度確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化工作的順利完成。對(duì)建筑工程而言，整個(gè)施工過(guò)程往往需要花費(fèi)較多的人力、物力以及財(cái)力，結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要目的就是把上述指標(biāo)控制在最低，并為建筑質(zhì)量的可靠性提供保障。因此，在對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的時(shí)候，必須注意以下問(wèn)題：第一，應(yīng)找準(zhǔn)建筑經(jīng)濟(jì)與技術(shù)之間的平衡點(diǎn)，盡可能降低或消除二者之間的矛盾，即使引入了一些現(xiàn)代化技術(shù)，也無(wú)需付出過(guò)多的成本。第二，應(yīng)認(rèn)識(shí)到技術(shù)所能帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益，明確技術(shù)的優(yōu)化可在一定程度上降低經(jīng)濟(jì)成本，因此，必須加強(qiáng)對(duì)先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用

4.1 整體優(yōu)化和局部?jī)?yōu)化

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)表現(xiàn)出明顯的層次性和復(fù)雜性。首先，從層次性上來(lái)看，其主要涉及到建筑設(shè)計(jì)體系、結(jié)構(gòu)體系和安裝設(shè)計(jì)體系等，且上述每個(gè)體系之下還包括諸多小的分支體系。設(shè)計(jì)人員在開(kāi)展建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)結(jié)合工程的具體情況以及各個(gè)分支的特點(diǎn)加以優(yōu)化，循序漸進(jìn)地解決各環(huán)節(jié)遇到的困難，進(jìn)而確保整個(gè)工程的順利完工。其次，站在復(fù)雜性的層面來(lái)看，其主要涉及到建筑原材料的選擇、零部件的選擇以及結(jié)構(gòu)類(lèi)型的確定等內(nèi)容。所以，不管是哪種類(lèi)型的房屋建筑，都可從整體和局部出發(fā)進(jìn)行優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平的最大化提升。

4.2 基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)

房屋建筑的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與建筑整體功能的正常發(fā)揮及其穩(wěn)定性有著十分密切的聯(lián)系，所以，在進(jìn)行建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候，設(shè)計(jì)人員必須注重對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的運(yùn)用，盡量實(shí)現(xiàn)對(duì)地基地質(zhì)、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)等重點(diǎn)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)工作的全方位把控，在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中，應(yīng)處理好建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與施工成本、施工技術(shù)等的關(guān)系，找準(zhǔn)三者之間的平衡點(diǎn)。對(duì)于框架結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告對(duì)基礎(chǔ)形式進(jìn)行合理選擇，若施工現(xiàn)場(chǎng)的地基承載力較好，則最好選擇淺基礎(chǔ)形式；若施工現(xiàn)場(chǎng)的地基承載力較差或者土質(zhì)狀況不佳，首先應(yīng)考慮地基處理方案是否具備可行性，若可行則選用地基處理方案，若不可行則需采用樁基礎(chǔ)。灌注樁和預(yù)制樁是兩類(lèi)比較常見(jiàn)的樁基礎(chǔ)形式，其中，灌注樁的施工過(guò)程比較復(fù)雜，整個(gè)施工工期也比較長(zhǎng)，且很難對(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行有效控制。因此，在沉降滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，可采用預(yù)制樁施工法，利用深層樁基增大土壤對(duì)樁身的摩擦力，并盡可能選用長(zhǎng)度較長(zhǎng)的預(yù)制樁。

4.3 分階段優(yōu)化

建筑工程項(xiàng)目各個(gè)環(huán)節(jié)的施工都是密切聯(lián)系的，且每一個(gè)環(huán)節(jié)都有著自身獨(dú)特的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。因此，在實(shí)際開(kāi)展工程建設(shè)工作的時(shí)候，應(yīng)堅(jiān)持分階段優(yōu)化設(shè)計(jì)的原則，首先應(yīng)對(duì)建筑施工建設(shè)的階段進(jìn)行合理劃分，然后將不同階段的性質(zhì)作為參考依據(jù)，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加以優(yōu)化，同時(shí)還要注重對(duì)整個(gè)工程壽命的優(yōu)化，這樣才能使企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益得到進(jìn)一步提升。

4.4 上部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

在對(duì)房屋建筑的上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的時(shí)候，首先應(yīng)對(duì)剪力墻進(jìn)行科學(xué)設(shè)置，具體而言，應(yīng)讓剪力墻的質(zhì)量保持一定的均勻性，確保對(duì)稱(chēng)樓層的平面中心與同樓層的結(jié)構(gòu)重心相重合，盡量降低大風(fēng)、地震等外部因素帶來(lái)的不良影響。在房屋類(lèi)型滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，應(yīng)采用大開(kāi)間的剪力墻構(gòu)造形式，適當(dāng)增長(zhǎng)剪力墻的墻肢，控制墻肢總數(shù)，從而節(jié)約混凝土使用量。另外，由于剪力墻的暗柱一般采用的是鋼筋，這樣一來(lái)，就可通過(guò)采用大開(kāi)間剪力墻來(lái)降低鋼筋的使用量。但是，在遇到建筑施工現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件較差或者地質(zhì)環(huán)境比較復(fù)雜的情況時(shí)，不能減少鋼筋的數(shù)量，在這種情況下也就不適用采用大開(kāi)間剪力墻的構(gòu)造形式。

4.5 排水結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)優(yōu)化

現(xiàn)代房屋建筑工程中往往設(shè)有給排水專(zhuān)用房，其中涉及到大量的機(jī)械設(shè)備，如此一來(lái)就會(huì)加大建筑的負(fù)荷量，所以，在設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)盡量將水泵設(shè)置在地下室中。需要注意的一點(diǎn)是，由于排水房間中的管道數(shù)量非常多，且管道規(guī)格尺寸各不相同，因此，必須適當(dāng)加固樓板上的穿孔位，預(yù)留出滿足規(guī)范要求的孔洞，最好不要讓孔洞影響到水平方向管線對(duì)建筑梁結(jié)構(gòu)的貫穿。若管道需要貫穿房屋的承重墻，則還要注重加強(qiáng)對(duì)墻體的維護(hù)，整個(gè)排水結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，必須處理好結(jié)構(gòu)布設(shè)與管網(wǎng)體系的關(guān)系，以免發(fā)生管道繞梁或柱的問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在房屋建筑建設(shè)過(guò)程中占據(jù)著十分重要的地位，而要使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更好地滿足工程建設(shè)需求，就必須積極運(yùn)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，一般來(lái)說(shuō)，房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的步驟主要為建立結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型、優(yōu)化計(jì)算方案、程序設(shè)計(jì)以及結(jié)果分析。從優(yōu)化內(nèi)容上來(lái)看，主要涉及到整體優(yōu)化和局部?jī)?yōu)化、基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)、分階段優(yōu)化、上部結(jié)構(gòu)優(yōu)化等，只有落實(shí)好上述幾個(gè)方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，才能使房建工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平得到全方位提升。