胡運沖

四川智亮電力工程設(shè)計有限責(zé)任公司 四川 成都 610000

引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對生活水平質(zhì)量的追求就在持續(xù)提高，因此對建筑物經(jīng)濟(jì)性和美觀上的要求也越來越高，建筑美學(xué)在城市建設(shè)中的有著非常廣泛的應(yīng)用。設(shè)計人員在進(jìn)行建筑設(shè)計的過程中，為了保證便于施工，讓施工單位能夠盡快完成建設(shè)工作，通常會側(cè)重考慮建筑工程施工的便利性，而對建設(shè)的實用美學(xué)方面考慮不足。想要滿足人們對建筑方面不同的需求，就要在進(jìn)行建筑設(shè)計的時候利用多種多樣的優(yōu)化方式。積極的對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法進(jìn)行研究，就能對房屋的建設(shè)起到良好的幫助。由于建筑主體結(jié)構(gòu)施工所用的投入占整個房屋建造很大的部分，因此，通過對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化，既可以保證建筑的安全性，還能降低施工成本，提高各方經(jīng)濟(jì)效益。

1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的內(nèi)涵特征

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的作用主要體現(xiàn)在能夠讓施工變得更加便捷，同時還能把建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計得更加符合大眾對美的認(rèn)知，以期望在設(shè)計建筑結(jié)構(gòu)時可以把房屋建設(shè)目的、房屋功能等全面覆蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，在這個基礎(chǔ)上在選用各種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，讓建筑完成后既適用又美觀，既安全有保證質(zhì)量，建筑過程還能方便快捷，節(jié)約成本[1]。因此建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的方法，具有一定的共性：重視建筑美感，涉及多種學(xué)科，學(xué)科間交匯較多，建筑適用性強(qiáng)，方便實際施工管理，有很強(qiáng)的科學(xué)性。因為要求高且復(fù)雜，這就需要設(shè)計師在設(shè)計是有扎實的專業(yè)能力，豐富的想象力和關(guān)于創(chuàng)新的精神。

2 優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的意義

在設(shè)計房屋結(jié)構(gòu)的時候，充分利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計不僅可以提高工程的質(zhì)量，還能節(jié)約施工成本，避免不必要的浪費，從而提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。我國所倡導(dǎo)的可持續(xù)發(fā)展理念，爭取市場效益最大化，這就要求建筑設(shè)計單位的設(shè)計內(nèi)容不僅要滿足房屋建筑結(jié)構(gòu)的長期使用價值，也要考慮在建設(shè)過程中實際投入的資產(chǎn)。運用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法，相比于傳統(tǒng)設(shè)計方法更能降低施工成本，對施工方案進(jìn)行合理優(yōu)化，實現(xiàn)建筑企業(yè)對建筑材料使用效益的最大化。在施工工藝不斷進(jìn)步，施工材料的強(qiáng)度逐漸提高的今天，我國建設(shè)高層建筑已經(jīng)成了非常普遍的事了，怎么樣才能讓建筑在滿足時代需求的同時，也可以在施工過程中節(jié)約成本成了被人們廣泛關(guān)注的問題。

優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計是最能充分發(fā)揮機(jī)械設(shè)備建材性能的手段，對人們關(guān)注的問題交出了一份極具參考性的答卷。如果可以對房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，那么房屋中各個結(jié)構(gòu)構(gòu)件就能實現(xiàn)有機(jī)的整合，讓空間內(nèi)的一切結(jié)構(gòu)都能發(fā)揮出自己獨有的作用的同時，又讓空間內(nèi)充滿了簡單整潔的美感，從而提高建筑的整體美感。而結(jié)構(gòu)優(yōu)化對建筑質(zhì)量的提高也是顯而易見的，它能確保人們居住環(huán)境的安全性。以往的建筑設(shè)計中，會對安全性進(jìn)行著重考慮，而在實際施工中，由于控制措施做得不到位，在成本上又想盡可能節(jié)約，就造成了設(shè)計單位在考慮設(shè)計時必須保守設(shè)計，工程世紀(jì)階段圖紙的清單量就很高，并且結(jié)構(gòu)上不簡約，容易出現(xiàn)一些缺陷，難以滿足人們對現(xiàn)代房屋的心理需求[2]。在設(shè)計房屋時如果合理運用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法，就能把建筑的經(jīng)濟(jì)價值、審美價值、生態(tài)價值以及使用價值有機(jī)整合，既可以降低房屋的建設(shè)成本，節(jié)省施工材料，又能確保房屋安全性，保證結(jié)構(gòu)可靠，還可以讓建筑具有極強(qiáng)的藝術(shù)性，從整體上提高建筑的綜合效益。

3 建筑結(jié)構(gòu)運用結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的步驟

3.1 建立建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計模型

在建筑設(shè)計的時候，首先應(yīng)該把能夠?qū)ㄖY(jié)構(gòu)起到重要作用的主要參數(shù)，看出來它的變量所在，比如對柱體的約束控制參數(shù)和需要控制的目標(biāo)參數(shù)等。對整體而言變動范圍比較小、影響力比較小或者局部有關(guān)要素能夠滿足設(shè)計需求的，就可以用預(yù)定參數(shù)先對其進(jìn)行表示，這樣就可以有效地減少計算量和計算難度，讓設(shè)計數(shù)量降低，工作量減少，工作效率也就隨之提高了。在建筑設(shè)計中常常會建立目標(biāo)函數(shù)，在優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，就可以利用目標(biāo)函數(shù)，對滿足預(yù)定條件的已失效函數(shù)，對應(yīng)鋼筋的截面面積，這樣就可以減少建筑工程建設(shè)工程中投入的成本。對于進(jìn)行過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的房屋，一定要對房屋的結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查，確保房屋結(jié)構(gòu)具有足夠的可靠性，對進(jìn)行過優(yōu)化設(shè)計階段有關(guān)約束條件進(jìn)行確認(rèn)。約束條件主要指的是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度約束、構(gòu)建單元約束、裂縫寬度約束、應(yīng)力約束以及尺寸約束等有關(guān)約束的條件。在進(jìn)行房屋設(shè)計的過程中，一定要仔細(xì)的比對目標(biāo)約束條件和實際約束條件之間的區(qū)別，保證每一個條件都能夠符合要求，向著最佳設(shè)計不斷地研究琢磨。

3.2 優(yōu)化設(shè)計方案的程序設(shè)計

在設(shè)計過程中，根據(jù)可靠度所做的房屋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計會出現(xiàn)很多約束條件問題，還會出現(xiàn)很多的復(fù)雜變量，在后續(xù)的分析計算里，通常需要把有約束條件的優(yōu)化問題進(jìn)行合理轉(zhuǎn)化，讓它變成沒有約束優(yōu)化的問題，然后再來解答。復(fù)合形法、拉氏乘子法、POWELL法都是優(yōu)化過程中常用的計算方法[3]。將根據(jù)可靠度計算，進(jìn)行對房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計模型優(yōu)化和實際運用的計算方式，把這些繁雜的數(shù)據(jù)用功能更強(qiáng)，計算速度更快的運用程序進(jìn)行計算，就可以將建筑優(yōu)化設(shè)計方案全面的實施。

3.3 對結(jié)果進(jìn)行綜合分析

計算結(jié)構(gòu)設(shè)計得出的各種計算結(jié)果，都需要再次進(jìn)行分析和比對，通過對比每種方法的優(yōu)劣勢，從而選擇最好的設(shè)計方案。在對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行分析時，對問題的考慮一定要具有全面性，從每個角度對這些問題進(jìn)行分析。結(jié)果分析是整個建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化中，相當(dāng)重要的一部分，選取科學(xué)有效的設(shè)計方案可以讓建筑的安全性、實用性、美觀性都得到保障，并且可以進(jìn)一步降低建筑主體施工高昂的成本。在進(jìn)行優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中不僅要對有關(guān)建筑技術(shù)上的要求高度重視，更要全面考慮全面優(yōu)化會對建筑工程帶來哪些重要的影響。在分析的過程中只有全面的思考科學(xué)配置，才能進(jìn)一步實現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。

4 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計在房屋建設(shè)過程中的作用

4.1 最大限度提高建筑的可靠實用年限

在建筑使用的可靠年限內(nèi)，每一個階段都會考慮做相應(yīng)優(yōu)化設(shè)計，房屋人員通過了解房屋每個階段的特征，按照實際計算情況對預(yù)期計算數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，確定優(yōu)化的方式，從而可以達(dá)到科學(xué)的優(yōu)化房屋使用年限的目的[4]。這不僅可以讓建筑工程建設(shè)質(zhì)量提升，還能提高建筑施工企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，讓房屋使用人的經(jīng)濟(jì)也可以達(dá)到最大限度的利用。

4.2 對建筑的局部性優(yōu)化和整體性優(yōu)化

房屋建設(shè)在設(shè)計方面具有相當(dāng)強(qiáng)的專業(yè)性，相應(yīng)的呈現(xiàn)出復(fù)雜性和層次性特征。站在層次性角度來說，它含有建筑結(jié)構(gòu)有關(guān)體系、整體設(shè)計體系和安裝體系，每個獨立的專業(yè)體系下又會有很多的附屬體系。設(shè)計人員在設(shè)計房屋的時候，就要相應(yīng)的對每一個下屬體系進(jìn)行優(yōu)化，將橫向關(guān)聯(lián)性突破。例如在框架剪力墻體系的建筑的建設(shè)過程中，首先進(jìn)行施工的是框架剪力墻結(jié)構(gòu)的主體，即剪力墻，樓板，樓梯等建筑框架，隨后進(jìn)行空間的分隔，砌筑工程開始施工。按照建筑設(shè)計規(guī)范，砌體墻拐角處，需要設(shè)置構(gòu)造柱，構(gòu)造柱為混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。在實際施工中會遇到這種情況，設(shè)計人員為了節(jié)約施工成本，將剪力墻受力作用發(fā)揮到極致，使得剪力墻長度被足夠的壓縮，而恰逢在墻拐角處需要設(shè)置構(gòu)造柱，這時候就不綜合考慮情況，將剪力墻和構(gòu)造柱之間隔開，間隔距離非常近。這在實際施工中，對施工方造成了很大的困擾，一方面構(gòu)造柱還是要用混凝土現(xiàn)澆，和主體所用混凝土價格相差不大，并沒有節(jié)約成本，另一方面造成是施工難度的增加，讓砌筑過程中，不得不再次花費人工支模，做出的構(gòu)造柱和主體連續(xù)性降低，澆筑質(zhì)量也難以保證。這就是傳統(tǒng)設(shè)計過程中下屬體系沒有進(jìn)行橫向溝通的典型案例。而在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法中，完全可以將剪力墻和構(gòu)造柱合并形成一個整體，并在建筑拐角處有門垛的地方也一并帶出，這樣既可以加強(qiáng)建筑的整體性，減少后期的工作量，還能讓建筑的質(zhì)量更高，美感更強(qiáng)。站在復(fù)雜性的角度看，房屋建筑復(fù)雜，需要對建筑施工材料進(jìn)行合理化選擇，對一些建筑物的零星部件也需要考慮在內(nèi)。對每個建筑物來說，都應(yīng)該從整體上進(jìn)行優(yōu)化，只有這樣才算實現(xiàn)了真正的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

4.3 對建筑的上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化

對房屋構(gòu)件對應(yīng)的模型進(jìn)行構(gòu)建，再將系統(tǒng)逐步優(yōu)化，就可以對房屋的上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。剪力墻的布置應(yīng)該科學(xué)合理，在設(shè)置的時候盡量保持剪力墻在樓層中的布置位置都是均勻的，這樣才能保證樓層平面的剛度中心點和樓層整體的結(jié)構(gòu)中心重合，讓整個樓層的受力自上而下傳遞的過程中是連續(xù)均勻的[5]。這可以減少風(fēng)荷載甚至地震給建筑帶來的不利影響。在設(shè)計過程中，剪力墻應(yīng)該盡量多在大開間的位置進(jìn)行設(shè)置，在節(jié)約成本和質(zhì)量保證安全的前提下盡量把剪力墻長度設(shè)置長一些，以此減少剪力墻的數(shù)量，讓建筑具有更強(qiáng)的一體性。

4.4 優(yōu)化和排水系統(tǒng)優(yōu)化、電器優(yōu)化相協(xié)調(diào)

排水系統(tǒng)放置機(jī)械的房間，通常機(jī)械設(shè)備重量較大，荷載較大且為恒荷載。對于這些房間，一定要盡量設(shè)計在建筑的底層，確保管道預(yù)留的深度和尺寸可以滿足設(shè)計規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，對樓板需要打孔的位置提前進(jìn)行規(guī)劃，加密洞口附近鋼筋，一定要避免設(shè)計時忘記留洞口，在樓板上進(jìn)行二次開洞，這會造成樓板整體性被破壞，且結(jié)構(gòu)強(qiáng)度沒法進(jìn)行保證，洞口區(qū)域鋼筋無法加密。除此之外，要注意水平方向的管線是否有貫穿梁或者柱的情況，盡量避免這種情況的出現(xiàn)。在傳統(tǒng)設(shè)計里，房屋內(nèi)部的電氣管線基本上都是用導(dǎo)線的形式，直接安裝在樓板墻體的外面，這樣的方法會增加很多預(yù)埋件的制作，增大施工難度。因此如果需要讓管線穿過墻體，就需要在梁上，提前預(yù)留好洞口，注意要保證墻和梁的寬度是一致的。

5 結(jié)束語

綜上所述，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化對整個行業(yè)的發(fā)展都是具有非常重要的意義的，如果能合理地采用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化方法，就會讓建筑的安全性和可靠性得到保障的同時，美化建筑外形，節(jié)約投資成本。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化是一個綜合性強(qiáng)而且難度很高的系統(tǒng)性問題，設(shè)計人員一定要在設(shè)計過程中不斷嘗試，深入研究，勇于探索，提高自身的專業(yè)素養(yǎng)，不斷學(xué)習(xí)，為人們提供既滿足安全要求，又舒適美觀的建筑。