張威偉 (十堰市展圖勘察設(shè)計(jì)審查咨詢有限公司 湖北 十堰 442000)

前言

土木工程是建造各類工程設(shè)施的科學(xué)技術(shù)的統(tǒng)稱。它既指工程建設(shè)的對(duì)象,即建造在地上、地下、水中的各種工程設(shè)施,也指所應(yīng)用的材料、設(shè)備和所進(jìn)行的勘測(cè)、設(shè)計(jì)、施工、保養(yǎng)、維修等專業(yè)技術(shù)。建造工程設(shè)施的物質(zhì)基礎(chǔ)是土地、建筑材料、建筑設(shè)備和施工機(jī)具。借助于這些物質(zhì)條件,經(jīng)濟(jì)而便捷地建成既能滿足人們使用要求和審美要求,又能安全承受各種荷載的工程設(shè)施,是土木工程學(xué)科的出發(fā)點(diǎn)和歸宿。土木工程是社會(huì)和科技發(fā)展所需要的衣、食、住、行的先行官之一,與人們的生產(chǎn)生活息息相關(guān)。土木建筑可以建在任何地方,具有一定的靈活性,而且在建筑過程中需要經(jīng)過勘察、設(shè)計(jì)和施工等階段,涉及建筑學(xué)、力學(xué)、工程學(xué)、管理學(xué)等多方面的內(nèi)容,其中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是土木建筑中的重點(diǎn)環(huán)節(jié),對(duì)于工程質(zhì)量有著直接影響。如何滿足消費(fèi)者需求,找到建筑結(jié)構(gòu)存在的問題,并且進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì),是現(xiàn)階段建筑設(shè)計(jì)工作人員的主要研究方向。

1 土木工程建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的意義

1.1 有利于保證經(jīng)濟(jì)效益

對(duì)于土木工程中的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化問題,傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和采用優(yōu)化技術(shù)后的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在著很大的區(qū)別。如果從經(jīng)濟(jì)效益上考慮,傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在相當(dāng)一部分的冗余成分,這也造成了施工方成本的浪費(fèi);而如果采用更加科學(xué),有效的建筑機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,則可以使得建筑結(jié)構(gòu)的構(gòu)建過程更加協(xié)調(diào),從而大大減少了成本的投入,這樣的措施有效利用了有限的建筑資源,在減少經(jīng)濟(jì)成本的同時(shí),也能夠大大降低建筑企業(yè)在施工過程中所需要的時(shí)間成本。

1.2 符合行業(yè)要求

新時(shí)期人民主要矛盾集中在日益增長(zhǎng)的對(duì)美好生活的追求中,而建筑作為大部分社會(huì)生產(chǎn)的活動(dòng)的載體,有著自己獨(dú)特的作用。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展,社會(huì)對(duì)于建筑行業(yè)也提出了更高的要求:即在保證建筑空間,結(jié)構(gòu)等指標(biāo)最佳的情況下,還要符合大眾的審美。土木工程作業(yè)經(jīng)過建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化之后,在對(duì)建筑資源進(jìn)行最優(yōu)的分配后,不但能夠節(jié)約各類成本,而且能夠憑借先進(jìn)的優(yōu)化措施,滿足目標(biāo)受眾以及建筑施工方的多元化需求。這體現(xiàn)了現(xiàn)代土木工程的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的重要作用,相信會(huì)成為今后建筑行業(yè)不斷改革進(jìn)步的重要著力點(diǎn)。

2 土木工程建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原則

2.1 高效性原則

任何工作在最初展開期間,有關(guān)方面的準(zhǔn)備工作是務(wù)必重視的部分,土木建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作亦是如此。在對(duì)土木工程建筑結(jié)構(gòu)正式展開設(shè)計(jì)工作以前,首要便是明確建筑物的圖標(biāo),并保證設(shè)計(jì)方案能為土木工程建筑施工方案提供準(zhǔn)確高的參照數(shù)據(jù)。與此同時(shí),對(duì)于土木工程建筑結(jié)構(gòu)中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)有關(guān)人員應(yīng)該全面了解和掌握,找出土木工程建筑施工期間出的難點(diǎn)部分,之后按照難點(diǎn)部分提出具有可行性的解決方案,降低土木工程建筑在具體施工期間出現(xiàn)各種各樣錯(cuò)誤的概率。

2.2 安全性原則

在房屋建筑結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)過程中,保證建筑從設(shè)計(jì)到施工再到最后的投入使用都能安全進(jìn)行時(shí)首要前提。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中,設(shè)計(jì)師要注意加強(qiáng)建筑的性能,設(shè)置不同的安全線。從理論上講不能盲目地進(jìn)行結(jié)構(gòu)選擇,不僅需要考慮建筑環(huán)境以及自然災(zāi)害的影響,還要考慮建筑自身的各種特點(diǎn),比如框架結(jié)構(gòu)的承載力一般大于砌體結(jié)構(gòu)的承載力等原理。在設(shè)計(jì)過程中,還可以通過增加防線數(shù)量的方式進(jìn)一步加強(qiáng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的安全性,因?yàn)榻^對(duì)的安全和穩(wěn)定在整個(gè)建筑設(shè)計(jì)中是不復(fù)存在的,只有不斷建立并完善各種安全防護(hù)措施,才能降低危險(xiǎn)的可能性。

2.3 完整性原則

完整性強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)人員對(duì)工程項(xiàng)目的各個(gè)結(jié)構(gòu)有全方位了解,全面設(shè)想結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),充分關(guān)注各設(shè)計(jì)細(xì)節(jié),這也是設(shè)計(jì)土木工程建筑結(jié)構(gòu)必須遵循的一項(xiàng)原則。換言之,在制定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案時(shí),設(shè)計(jì)人員要詳細(xì)分析結(jié)構(gòu)中的所有部分,綜合多方意見進(jìn)行設(shè)計(jì),并對(duì)可能出現(xiàn)的所有情況加以考慮,提出科學(xué)的解決方案,確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性。

2.4 合理性原則

在房屋建筑設(shè)計(jì)過程中,應(yīng)從建筑整體性的角度明確建筑結(jié)構(gòu)的基本性能。對(duì)于一個(gè)項(xiàng)目,在設(shè)計(jì)過程中要依照不同建筑的具體信息和不同的功能來確定其剛性強(qiáng)度和柔性強(qiáng)度。在建筑設(shè)計(jì)的過程中過于強(qiáng)調(diào)某一建筑的剛性強(qiáng)度則會(huì)導(dǎo)致建筑的變形能力下降,從而導(dǎo)致其荷載重量增加,對(duì)建筑造成局部破壞。但如果靈活性太強(qiáng),會(huì)因結(jié)構(gòu)變化而無法承受原有荷載,甚至造成整棟建筑倒塌。故而在整個(gè)設(shè)計(jì)的過程中,設(shè)計(jì)者需要從整體設(shè)計(jì)出發(fā),先確保整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理完善,然后找到整個(gè)建筑的關(guān)鍵部分,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)剛?cè)岵?jì)的效果。

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

3.1 圖紙?jiān)O(shè)計(jì)中的問題

結(jié)構(gòu)施工圖是民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容,也是建筑承重墻等主體結(jié)構(gòu)的設(shè)置依據(jù),同時(shí)也明確規(guī)定了所使用的材料的類型和規(guī)格。但在實(shí)際的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)中也存在著較多的問題,主要可以分為工程計(jì)算問題和基礎(chǔ)平面圖的繪制問題。首先,基礎(chǔ)平面圖在繪制的過程中并沒有包含所有的內(nèi)容,一些細(xì)節(jié)性的東西比如構(gòu)造后澆帶和定位軸線并沒有很精準(zhǔn)地在平面圖中標(biāo)示出來,但這些細(xì)節(jié)與施工技術(shù)的運(yùn)用以及建筑質(zhì)量有著密切的關(guān)系,也是施工人員進(jìn)行精準(zhǔn)施工的必要標(biāo)準(zhǔn)。其次,方案中不完整的符號(hào)和元素也是問題所在,部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程當(dāng)中對(duì)一些材料沒有進(jìn)行詳細(xì)的編號(hào),尤其是建筑中所使用到的不同的樁柱有多種規(guī)格,如果不對(duì)他們進(jìn)行相應(yīng)的編號(hào),很可能引起施工建造中的混亂。最后是工程計(jì)算的過程中存在問題,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程當(dāng)中需要有精確的參數(shù)設(shè)計(jì),對(duì)于受力、尺寸等參數(shù)需要進(jìn)行精密的計(jì)算,但是部分設(shè)計(jì)人員在具體的計(jì)算過程當(dāng)中并沒有進(jìn)行二次驗(yàn)算,以至于計(jì)算結(jié)果中存在著較多的誤差。

3.2 基礎(chǔ)選型缺乏科學(xué)性

對(duì)于房屋建筑來說,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)直接影響到土木工程的整體安全水平。從當(dāng)前的現(xiàn)狀來看,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)不均勻沉降的問題,最終引發(fā)各種安全隱患。

3.3 耐久性和牢固性不強(qiáng)

縱觀我國(guó)當(dāng)前的土木工程建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),對(duì)建筑主體的耐久性相對(duì)重視。通常理論層面的建筑主體耐久性能達(dá)到建筑物或普通房屋的耐久性標(biāo)準(zhǔn),但實(shí)際上所設(shè)計(jì)的主體結(jié)構(gòu)很難達(dá)到預(yù)期使用年限。究其原因,設(shè)計(jì)人員在建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)只一味注重建筑主體的耐久性,對(duì)環(huán)境因素造成的影響加以忽視,如土壤酸堿度、空氣干濕度、土壤含有的腐蝕建筑元素、環(huán)境溫度等,繼而造成建筑結(jié)構(gòu)安全性和耐久性的降低,引發(fā)安全隱患。

3.4 計(jì)算精確度不足

計(jì)算精確度不高必然會(huì)對(duì)土木工程建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的貫徹落實(shí)造成影響,特別是在力學(xué)中荷載計(jì)算方面,通常都對(duì)土木工程建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有著很高的要求,當(dāng)在土木工程建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)期間力學(xué)荷載計(jì)算存在著問題,那么勢(shì)必對(duì)會(huì)土木工程建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的精確性造成影響,繼而為土木工程建筑建設(shè)隱埋下巨大的安全隱患。而力學(xué)荷載計(jì)算之所以會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤,主要是設(shè)計(jì)人員方面的原因所致,設(shè)計(jì)人員并未全面考慮土木工程建筑建設(shè)各個(gè)方面的要點(diǎn),也并未對(duì)有關(guān)方面的作用力展開全面性考慮,造成土木工程建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作存在著明顯的偏差,致使力學(xué)平衡被打破,隱埋下多種多樣的安全隱患。另外,測(cè)量技術(shù)和機(jī)械設(shè)備落后,這同樣也會(huì)造成力學(xué)荷載計(jì)算出現(xiàn)偏差,所以提高專業(yè)技術(shù)和測(cè)量水平是土木工程建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中勢(shì)在必行的舉措。

4 土木工程建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

4.1 施工圖紙?jiān)O(shè)計(jì)科學(xué)性

房屋建設(shè)要以圖紙為依據(jù),進(jìn)行房屋設(shè)計(jì)時(shí),一定要重視圖紙的設(shè)計(jì)。通過圖紙?jiān)O(shè)計(jì),滿足建筑結(jié)構(gòu)功能需要,對(duì)施工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重視,形成科學(xué)合理的布局,完成好圖紙落實(shí)工作,進(jìn)一步提高建筑物的質(zhì)量。要通過規(guī)范科學(xué)的驗(yàn)證公式,提高數(shù)據(jù)應(yīng)用能力,對(duì)房屋的結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)分析,確保施工圖紙?jiān)O(shè)計(jì)更加科學(xué)有效。圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要與現(xiàn)場(chǎng)相協(xié)調(diào),充分考慮當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境、氣候條件、地質(zhì)水文、周邊地貌、房屋地址等各項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)勘察和分析,標(biāo)注到建筑圖紙上,為施工提供科學(xué)依據(jù)。當(dāng)前,隨著技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展,一些高精設(shè)備應(yīng)用到了圖紙?jiān)O(shè)計(jì)工作中,例如,房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),會(huì)使用到智能系統(tǒng),對(duì)智能系統(tǒng)CAD進(jìn)行應(yīng)用,形成仿真性的擬態(tài)化數(shù)據(jù)信息,減少人力勞動(dòng),提高數(shù)據(jù)的計(jì)算精準(zhǔn)性,有效減少誤差,為后期的房屋建設(shè)提供強(qiáng)大支撐。

4.2 基礎(chǔ)選型的合理性

在建筑基礎(chǔ)選型的過程中,應(yīng)該對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)加以高度重視,注重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量性與合理性,確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與地基結(jié)構(gòu)承載力相適應(yīng);或者是以結(jié)構(gòu)的功能和要求為依托來合理選型,對(duì)結(jié)構(gòu)的抵抗能力和受力均衡性加以改善。同時(shí)設(shè)計(jì)人員要加強(qiáng)對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)的勘測(cè),尤其是施工現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境情況和地質(zhì)情況勘測(cè)等,并根據(jù)建筑物的外形要求進(jìn)行基礎(chǔ)選型;或者是積極與施工人員進(jìn)行溝通,及時(shí)調(diào)整建筑項(xiàng)目的實(shí)施,促使項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案與實(shí)際需要相符。只有在基礎(chǔ)選型環(huán)節(jié)注重協(xié)調(diào)性、質(zhì)量性、合理性,才能避免結(jié)構(gòu)承載質(zhì)量差異的發(fā)生,促使地基結(jié)構(gòu)在建筑結(jié)構(gòu)中具有較好的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

4.3 設(shè)計(jì)牢固性與耐久性

建筑物耐久性的設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié),也是建筑物安全系數(shù)加以反映的可靠指標(biāo),主要指的是混凝土的使用年限久或能無故障地長(zhǎng)時(shí)間使用。對(duì)此,設(shè)計(jì)人員在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中要立足實(shí)際,綜合考量土壤酸堿度、空氣干濕度、凍融、環(huán)境溫度等外界因素帶來的影響,意識(shí)到地質(zhì)承載能力對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)耐久性和牢固性的重要作用,制定行之有效的設(shè)計(jì)方案,并對(duì)方案的確定、技術(shù)和材料的選擇等方面予以高度關(guān)注,以免因結(jié)構(gòu)牢固性和耐久性差而造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失或資源浪費(fèi)。同時(shí)設(shè)計(jì)人員要優(yōu)化混合和配合比的設(shè)計(jì),并針對(duì)建筑施工現(xiàn)場(chǎng)的情況進(jìn)行砂石質(zhì)量的合理調(diào)整,保證配比的科學(xué)性;或者是以施工規(guī)范和建筑設(shè)計(jì)為依托,對(duì)結(jié)構(gòu)的保護(hù)層予以適當(dāng)加厚,促使結(jié)構(gòu)厚度與周圍環(huán)境情況相符。當(dāng)然如若條件許可,設(shè)計(jì)人員可以對(duì)建筑物的周邊環(huán)境因素展開調(diào)研,結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行相應(yīng)區(qū)域的區(qū)分,明確待建保護(hù)層的厚度,延長(zhǎng)碳化時(shí)間。

4.4 保障計(jì)算的精確性

房屋設(shè)計(jì)需要土木工程建筑設(shè)計(jì)師與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師密切配合,土木工程建筑設(shè)計(jì)是前提和基礎(chǔ),要為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)造條件,要充分重視建筑設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程。土木工程建筑設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就像一枚硬幣的正反面,相互依存、缺一不可。雙方必須密切合作、相互配合。土木工程建筑的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性涉及結(jié)構(gòu)的安全,所以房屋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師經(jīng)過受力分析、計(jì)算,得到相關(guān)內(nèi)力數(shù)據(jù)(軸力、剪力、彎矩)并據(jù)此進(jìn)行構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度計(jì)算,從而設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)施工圖。要高度重視結(jié)構(gòu)安全,尊重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師,尊重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師的專業(yè)建議和勞動(dòng)成果。而不是忽視結(jié)構(gòu)工程師,把結(jié)構(gòu)工程師的工作看成可有可無。房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn),以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),確保精準(zhǔn)性,對(duì)每一個(gè)部位都要科學(xué)設(shè)計(jì),對(duì)于重點(diǎn)部位要強(qiáng)化設(shè)計(jì)管理。

4.5 計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的應(yīng)用

基于現(xiàn)代化信息技術(shù)的迅猛發(fā)展,在土木工程建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,要探索利用建筑信息模型技術(shù)優(yōu)勢(shì)處理各項(xiàng)工程信息數(shù)據(jù),建立相對(duì)完備的工程信息數(shù)據(jù)庫,便于設(shè)計(jì)人員、管理者隨時(shí)查詢信息工程信息,提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)效性。建筑信息模型技術(shù)是當(dāng)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的技術(shù)產(chǎn)物,有效實(shí)現(xiàn)了多種信息的整合和處理。具體應(yīng)用在土木建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,能減少工程信息數(shù)據(jù)偏差和人為操作失誤概率,提升設(shè)計(jì)內(nèi)容的合理性,提高工程信息數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度。同時(shí),建筑信息模型技術(shù)的應(yīng)用能將各專業(yè)的信息呈現(xiàn)在一個(gè)模型中,能讓項(xiàng)目更為直觀、一目了然,加強(qiáng)各專業(yè)之間的信息關(guān)聯(lián)和融合性,有效避免各專業(yè)因?qū)訁f(xié)調(diào)不暢而導(dǎo)致的設(shè)計(jì)沖突。相信不久的將來計(jì)算機(jī)信息技術(shù)還可以為建筑設(shè)計(jì)人員提供一些設(shè)計(jì)思路,例如人工智能加快融入結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后,結(jié)構(gòu)方案模擬更便捷與智能化,或許能大幅度減少設(shè)計(jì)人員的工作量,大大提升結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的效率和可靠性。

結(jié)束語

土木工程建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅對(duì)土木工程整體建設(shè)效果有著決定性的作用,而且還與人民群眾的生命安全息息相關(guān),對(duì)社會(huì)能否得到和諧發(fā)展有著至關(guān)重要的影響。因此,對(duì)于現(xiàn)階段土木工程建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本現(xiàn)狀,有關(guān)工程企業(yè)要有相應(yīng)的解決方案,強(qiáng)化土木工程建筑建設(shè)的安全性、適用性、耐久性,降低土木工程建筑建設(shè)期間的各項(xiàng)安全隱患和質(zhì)量隱患,為居住者創(chuàng)建安全、舒適的居住環(huán)境,進(jìn)而推動(dòng)土木工程行業(yè)健康、持續(xù)發(fā)展。