劉華昌

（廣州市花都建筑設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510800）

0 引言

優(yōu)化工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是提高施工質(zhì)量的關(guān)鍵手段，此技術(shù)可以最大程度保證施工過程的穩(wěn)定與可靠。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化上，設(shè)計(jì)者必須從概念上理解其內(nèi)涵及運(yùn)用意義，結(jié)合其現(xiàn)實(shí)特征及功能性需求制訂出一套合理的設(shè)計(jì)方案，將其設(shè)計(jì)過程的錯(cuò)誤減至最少，確保其順利實(shí)施，為中國的建設(shè)事業(yè)作出更大的貢獻(xiàn)

1 工程概況

某裝配式工程項(xiàng)目被劃分成A、B 兩個(gè)地區(qū)。A 單元共設(shè)8 棟25 層樓房，均為28.6m×17.8m 的框架－剪力墻結(jié)構(gòu)，經(jīng)BIM 技術(shù)仿真后（圖1），通過實(shí)例采用計(jì)算機(jī)對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了估計(jì)得到了結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)、施工類型、地震相關(guān)加速度、設(shè)防烈度等參數(shù)的輸入。采用BIM 技術(shù)對相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了分析框架剪切安全因子1.1、地震作用傾斜度10°、無規(guī)偏心率85°。

圖1 BIM 項(xiàng)目模擬

在建筑裝配式建筑的規(guī)劃中要重視方案的科學(xué)性和可行性，在保證建筑安全可靠和功能完善的前提下盡可能地降低能耗，以專業(yè)化、精確的方式進(jìn)行規(guī)劃，從而達(dá)到整體的效果。在建筑規(guī)劃中，首先要從建筑的功能要求出發(fā)，對柱網(wǎng)、外觀、戶型等進(jìn)行深層次的探討，并對其進(jìn)行合理改造，以保證建筑結(jié)構(gòu)高度、復(fù)雜度等在合理的范圍內(nèi)。在進(jìn)行初期階段還要考慮建筑材料、結(jié)構(gòu)體系、關(guān)鍵參數(shù)等因素的影響，并通過經(jīng)濟(jì)比較從中選擇最優(yōu)方案；同時(shí)要遵循規(guī)范的鋼筋混凝土配筋法，運(yùn)用軟件技術(shù)進(jìn)行精確的計(jì)算，并根據(jù)工程的具體情況對設(shè)計(jì)模式和方案進(jìn)行合理的調(diào)節(jié)，以保證整個(gè)工程的控制。在裝配式建筑的設(shè)計(jì)中，技術(shù)人員需要制訂相關(guān)的計(jì)劃和設(shè)計(jì)，并運(yùn)用BIM 技術(shù)進(jìn)行相關(guān)的工作。一般在進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)的時(shí)候，既要保證其整體的品質(zhì)，又要考慮各種不同的作用，同時(shí)又要盡量降低成本，增加各種資源的使用，從而大大地提高了整個(gè)建筑的綜合效益。在結(jié)構(gòu)的優(yōu)化上，從兩個(gè)層面進(jìn)行：①確定各種功能需求，合理安排主體，對立柱的連接和內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行仔細(xì)分析。②依據(jù)工程整體的層次來進(jìn)行建筑材料、結(jié)構(gòu)體系等的優(yōu)化和優(yōu)化，從而提高工程建設(shè)的科學(xué)性和有效性。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化在建筑設(shè)計(jì)中應(yīng)用的現(xiàn)狀

對裝配式建筑進(jìn)行更科學(xué)、更合理規(guī)劃。一般而言，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)僅用于特定的設(shè)計(jì)，它的含義就是對整個(gè)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)作一概括性的歸納，但可以著重于整體與次級結(jié)構(gòu)之間的機(jī)械連接與擴(kuò)展。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是中國建筑的重要組成部分，其可以最大限度地實(shí)現(xiàn)整體布局和具體要求，從而達(dá)到最佳的效果?？v觀以往的建筑結(jié)構(gòu)工作發(fā)展方向，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)僅局限在某些特定要求或規(guī)定的施工項(xiàng)目上，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在整體建筑中是最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化可以讓建筑更加滿足具體的設(shè)計(jì)規(guī)范和要求。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法可以通過BIM 技術(shù)計(jì)算模型能夠更精確地進(jìn)行數(shù)值仿真，并對其進(jìn)行詳細(xì)的實(shí)例計(jì)算[1]。

在現(xiàn)代科技快速發(fā)展中，我國的建筑工程技術(shù)與工藝技術(shù)都有了很大的進(jìn)步，為我國建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)?，F(xiàn)代建筑中傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)手法已經(jīng)不再適用，需要運(yùn)用現(xiàn)代技術(shù)來提升設(shè)計(jì)的科學(xué)性，運(yùn)用最新的思想來提升建筑的質(zhì)量，從而推動(dòng)建筑的智能化發(fā)展。高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以確保構(gòu)件在施工中發(fā)揮作用，確保構(gòu)件與構(gòu)件的相互協(xié)調(diào)，以滿足建筑設(shè)計(jì)以及施工具體的要求，避免構(gòu)件和構(gòu)件之間出現(xiàn)問題，從而降低工程的設(shè)計(jì)質(zhì)量。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化后大大提升了建筑的工作效率，確保了建筑工程質(zhì)量。

3 在建筑設(shè)計(jì)中應(yīng)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的方案

（1）確定建筑物的剛度，以保證其合理性；結(jié)構(gòu)的剛性是影響結(jié)構(gòu)安全性能的關(guān)鍵因素之一。合理的結(jié)構(gòu)剛性能夠顯著提高結(jié)構(gòu)的抗震能力同時(shí)提高結(jié)構(gòu)的自振頻率。增加剛性可以減少材料的損耗，增加建筑的使用效率，從而達(dá)到最佳的結(jié)構(gòu)效果。

（2）要構(gòu)建起一種合理的社會治理體系。建筑的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)要遵循科學(xué)的、對稱的原則，以降低建筑的材料損耗、降低其抗扭強(qiáng)度、確保其安全性與穩(wěn)定性。對稱是結(jié)構(gòu)的完整性和一致性的一個(gè)主要特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)重心要進(jìn)行合理的調(diào)節(jié)，以確保結(jié)構(gòu)的對稱性，并最終決定結(jié)構(gòu)的重心。

（3）依據(jù)現(xiàn)場的具體條件來決定地基的構(gòu)造。在進(jìn)行工程場地勘察與分析時(shí)，根據(jù)場地地形及建筑物的具體形態(tài)選擇最適宜的建筑物基礎(chǔ)。一般來講，房屋地基可以分成兩種類型：“樁基礎(chǔ)”和“箱基礎(chǔ)”，其應(yīng)用面較為廣泛，但樁基是指在承載量不大或是強(qiáng)度不高的情況下，通過這種方式將承載量傳遞到地基上，然后將其上的載荷傳遞給基體，使得房屋的穩(wěn)定得到保障；相對于樁基礎(chǔ)而言，箱形基礎(chǔ)具有較好的整體剛性，不但能夠使荷載分布更加均衡，從而增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的安全、穩(wěn)定，并能夠有效地避免因不均應(yīng)力而導(dǎo)致的基礎(chǔ)沉降，從而增強(qiáng)了建筑物的抗震性能。

（4）對圖紙進(jìn)行規(guī)范化規(guī)劃。在施工過程中，圖紙是最主要的依據(jù)和依據(jù)，高質(zhì)量的圖紙能有效地提高施工效率。強(qiáng)化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是確保工程圖的質(zhì)量。在進(jìn)行圖紙的編制時(shí)應(yīng)盡可能規(guī)范化，例如按統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測量，采用統(tǒng)一的標(biāo)識方法；同時(shí)相關(guān)部門應(yīng)強(qiáng)化對設(shè)計(jì)方案的審核與優(yōu)化，及時(shí)全面地檢查設(shè)計(jì)方案，對不明確之處進(jìn)行修改，確保設(shè)計(jì)的精確性和明確性。在項(xiàng)目的策劃和設(shè)計(jì)過程中，為了降低結(jié)構(gòu)的沉陷，防止工程的質(zhì)量和安全問題。在裙樓周邊設(shè)置沉陷裂縫，在建筑外墻的外側(cè)增加了1.3m 寬的加固板（圖2），保證了建筑的最大寬度在5.5m 以上。為了達(dá)到安裝和預(yù)制的需要，預(yù)制件可選擇一部分的地面或室外的露臺[2]。

圖2 加固板

4 在建筑物結(jié)構(gòu)工程中進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

近幾年，由于建筑行業(yè)的快速發(fā)展，在科技、經(jīng)濟(jì)、觀念、技術(shù)等多方面的支持下，建筑行業(yè)逐步步入了一個(gè)嶄新的時(shí)代。

4.1 嚴(yán)格遵循建筑物的構(gòu)造原理

在規(guī)劃階段，首先進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)流程如圖3 所示，逐步確定功能、用途等以確保建筑的質(zhì)量。此外在建筑的規(guī)劃中要注意充分利用不同的概念，確保其設(shè)計(jì)的有效性。總體而言，雖然概念化可以滿足特定項(xiàng)目的特定要求，但是在實(shí)際項(xiàng)目中卻難以嚴(yán)格遵循特定的技術(shù)要求。因此工程造價(jià)低、施工效率低、設(shè)計(jì)效率低、施工效率低、施工進(jìn)度等受到很大限制，若因?yàn)楦鞣N因素導(dǎo)致竣工結(jié)算無法如期完成，對施工企業(yè)的經(jīng)營上也會有影響。在此基礎(chǔ)上通過借鑒前人的設(shè)計(jì)實(shí)踐，對整個(gè)建筑物的總體布局進(jìn)行合理設(shè)計(jì)、合理調(diào)節(jié)和實(shí)施，從而達(dá)到更好的效果。在建筑的設(shè)計(jì)中，建筑的安全、工期和造價(jià)都會受到很大的沖擊。若能科學(xué)地運(yùn)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，不但能改善工程的科學(xué)性、合理性、可靠性、安全性，還能降低工程造價(jià)中的一些錯(cuò)誤，從而取得較好的整體效果?；A(chǔ)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)直接關(guān)系到住宅的穩(wěn)定性，因而需要保證其特殊性和準(zhǔn)確性。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)要對當(dāng)?shù)氐牡匦巍⒆匀磺闆r有一個(gè)全面的了解，通過大量搜集有關(guān)數(shù)據(jù)才能更好進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)而促進(jìn)整個(gè)項(xiàng)目的發(fā)展。在施工中箱型基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)是最常見的基礎(chǔ)形式，其應(yīng)用效果顯著，應(yīng)充分考慮各種因素選擇合適的基礎(chǔ)。在選取基礎(chǔ)時(shí)應(yīng)注重基礎(chǔ)承載能力及沉陷，而在高層建筑中應(yīng)選用樁基礎(chǔ)避免大的位移，從而達(dá)到良好的調(diào)節(jié)作用[3]。

圖3 優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

4.2 強(qiáng)調(diào)建筑構(gòu)造的重點(diǎn)

在具體應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師必須對其進(jìn)行充分了解與研究，從而使其更好地融入設(shè)計(jì)當(dāng)中。在結(jié)構(gòu)抗震方面，理念的設(shè)計(jì)就像是源頭。無論是墻、柱、梁還是加固部位都必須對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以確保其在地震作用下的安全性。在運(yùn)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要增強(qiáng)其設(shè)計(jì)的科學(xué)性，而且要加強(qiáng)其工作的實(shí)務(wù)操作，以最大限度地優(yōu)化其設(shè)計(jì)的功能，以增強(qiáng)其創(chuàng)意。在“創(chuàng)新發(fā)展”理念的指導(dǎo)下，對各種功能進(jìn)行科學(xué)、綜合的分析，并據(jù)此進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，既可以改善功能，又可以改善其安全性和提升經(jīng)濟(jì)效益[4]。文中所述項(xiàng)目屬于大基礎(chǔ)、高復(fù)雜的高層建筑，為確保大型商用部位的大面積，采取了一種框式剪力墻結(jié)構(gòu)，其立柱間距8.4m×8.4m，在樓梯通道的四邊角和升降機(jī)井上設(shè)置了框柱和剪力墻，圖4 為一層柱狀網(wǎng)絡(luò)的布局，而圖5 為十二層柱狀網(wǎng)格的布局。在此階段采用YJK 級及ETABS 軟件對其進(jìn)行分析、校核，以保證柱-網(wǎng)軸的合理排列，以達(dá)到對結(jié)構(gòu)件的初步估計(jì)。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化出發(fā)應(yīng)著重考慮基礎(chǔ)剪力、傾覆力矩、樓層剪力和傾覆力矩的分布，以便保證大樓在地震后仍保持良好的力學(xué)特性，達(dá)到國家相關(guān)法規(guī)的抗震標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 一層柱網(wǎng)分布

圖5 十二層柱網(wǎng)布置

4.3 施工組織抗震設(shè)計(jì)

（1）選擇合理的建設(shè)場地。在選定場地時(shí)應(yīng)保證其良好的地震作用，即便是同一棟大樓，因其建筑物的種類而存在較大差異，從而對整體的結(jié)構(gòu)造成較大的沖擊。在工程建設(shè)中應(yīng)充分考慮到基礎(chǔ)的震害，并參照工程設(shè)計(jì)與經(jīng)濟(jì)原理合理選擇結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。通過使用該技術(shù)使結(jié)構(gòu)的彈性和抗震性能大大改善。

（2）要對建材進(jìn)行正確選用，以增加建材的使用量。水泥砂漿作為建筑結(jié)構(gòu)的主體，選用適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)應(yīng)滿足特定的規(guī)范，選用高強(qiáng)度的模板，一般需要C25 比例以上的混凝土。另外采用HRB400 等高強(qiáng)度的鋼筋作為構(gòu)件，結(jié)合工程實(shí)際選擇更為適宜的新材料，在建筑工程中常用的是鋼筋混凝土，既能充分利用二者的優(yōu)勢，又能增加房屋的安全與穩(wěn)定。具體的水泥強(qiáng)度要根據(jù)工地的具體條件和需求來決定。在施工中混凝土是以水泥灰漿為主，所以要確保其高強(qiáng)度、高品質(zhì)，以確保其剛度與耐久性。相關(guān)部門應(yīng)提前對施工區(qū)地面震動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行評定，為工程建設(shè)提供依據(jù)。若在野外進(jìn)行試驗(yàn)達(dá)到較高水平時(shí)，則可適量其增加強(qiáng)度，設(shè)計(jì)師要明確兩者的聯(lián)系，并參照實(shí)際放樣加以修正。通過BIM 技術(shù)讓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化工作得到進(jìn)一步落實(shí)，以BIM 為基礎(chǔ)對地震后及地震后的情景進(jìn)行仿真與設(shè)計(jì)，使其具有較高的可靠性和科學(xué)性，并對其進(jìn)行了優(yōu)化和優(yōu)化，以取得最佳的結(jié)果[5]。

5 結(jié)語

綜上所述，通過綜合分析建筑工程項(xiàng)目要求合理設(shè)計(jì)優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)可以保障建筑結(jié)構(gòu)實(shí)用性與安全性，同時(shí)有效提升建筑節(jié)能效果和美觀性。因此相關(guān)工作人員必須合理運(yùn)用現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)制定科學(xué)的施工方案，從而在降低工程施工成本的同時(shí)保障施工質(zhì)量與施工安全。