淺析房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的應(yīng)用

郭春波

(山西省永濟(jì)市建筑設(shè)計(jì)室， 山西 永濟(jì) 044500)

隨著人民生活水平的提高，他們對(duì)于房屋的功能提出了更高的要求，同時(shí)土地價(jià)格以及建材物料價(jià)格的不斷上升，極大地增加了房屋建設(shè)時(shí)的成本，給開發(fā)商帶來不小的壓力。面對(duì)當(dāng)前的局勢(shì)，既要滿足人們對(duì)房屋功能的需求，又要保證房屋的質(zhì)量安全，還要節(jié)約成本減少房屋的造價(jià)，開發(fā)商必須尋求更先進(jìn)的方法和手段，以達(dá)到在有限的空間上，使用最少的資源建造出安全適用的房屋。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法則能夠幫助開發(fā)商很好地完成這一任務(wù)。

1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法就是通過對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)其科學(xué)合理經(jīng)濟(jì)目標(biāo)的一種手段，優(yōu)化方法具有以下三個(gè)步驟：

（一）建立數(shù)學(xué)模型。建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先便要根據(jù)建筑的預(yù)設(shè)建立科學(xué)的數(shù)學(xué)模型，這個(gè)數(shù)學(xué)模型的作用在于能夠?qū)ζ溥M(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析和結(jié)構(gòu)分析，從而判斷預(yù)設(shè)的結(jié)構(gòu)是否科學(xué)合理，繼而指導(dǎo)設(shè)計(jì)工作的不斷優(yōu)化改進(jìn)。

（二）保證建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，必須要在 保證建筑質(zhì)量與安全的前提下開展。建筑的質(zhì)量與安全跟結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)聯(lián)系緊密。根據(jù)建筑的總體要求，在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)要盡量保證剛度中心和質(zhì)量中心相差不大，以確保建筑不會(huì)在水平作用力下發(fā)生較大的扭轉(zhuǎn)。另外建筑在平面上的結(jié)構(gòu)盡量規(guī)則對(duì)稱，垂直方向的支撐架構(gòu)需要始終在一條稱重線上。

（三）結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)分析。第一步已經(jīng)建立了數(shù)學(xué)模型，這時(shí)便需要選用合理地算法和以及迭代控制方法來進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的理論數(shù)據(jù)分析，從而解決出現(xiàn)的問題。另外，第二步中的建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量安全問題，可能在經(jīng)過部分?jǐn)?shù)據(jù)分析之后會(huì)難以排除其存在的問題，這就要求設(shè)計(jì)者必須選擇最全面科學(xué)的優(yōu)化算法，以達(dá)到最終的目的。

2 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的意義

（一）保證房屋結(jié)構(gòu)安全與功能兼?zhèn)?。功能是建筑建設(shè)需要達(dá)到的目標(biāo)，二安全是建筑建設(shè)必須做到的指標(biāo)，兩者都是十分重要的。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法可以根據(jù)建設(shè)對(duì)功能的需要，展開對(duì)結(jié)構(gòu)材料、應(yīng)力作用和結(jié)構(gòu)造型的分析和優(yōu)化，使其達(dá)到結(jié)構(gòu)科學(xué)合理的標(biāo)準(zhǔn)。如承重柱始終在一條承重線上，圓形的建筑結(jié)構(gòu)受力更強(qiáng)，三角形的建筑結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定等。優(yōu)化方法是使房屋功能和安全性都盡量達(dá)到最優(yōu)的一種途徑。

（二）合理降低建設(shè)成本。對(duì)于一個(gè)建筑工程，最終的利潤是企業(yè)的重要目標(biāo)。在建設(shè)過程中，如是多層建筑，為了保證建筑的功能與基本的安全性，必須對(duì)承重墻、承重柱、承重梁等加大投入，以提高它們的抗震性能和承載能力，但隨之相應(yīng)地也就增加了資金的投入，增大了建設(shè)的成本。然而，建筑設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法可以有效地降低建設(shè)成本。通過對(duì)建筑的結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)，增強(qiáng)其受理性和抗震性等，以減少物料的使用。在保證功能與安全性的前提下，能夠設(shè)計(jì)出更合適的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行建設(shè)，實(shí)現(xiàn)功能、安全性與經(jīng)濟(jì)一起抓的目的。

3 優(yōu)化方法的實(shí)際應(yīng)用

（一）優(yōu)化結(jié)構(gòu)模型

對(duì)房屋進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，通常包括三個(gè)步驟：第一步，設(shè)計(jì)變量的選擇。設(shè)計(jì)變量的選擇主要以設(shè)計(jì)要求為依據(jù)，比如目標(biāo)控制的相關(guān)參數(shù)等。而從設(shè)計(jì)的角度來看，一般選擇變化波動(dòng)較小，或是根據(jù)局部的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)要求就能夠滿足設(shè)計(jì)需求的參數(shù)。這種參數(shù)選擇方式能夠盡量減少設(shè)計(jì)和編程計(jì)算的工作量。第二步，目標(biāo)函數(shù)確定。目標(biāo)函數(shù)是設(shè)計(jì)工作的指導(dǎo)方向，尋找到滿足設(shè)計(jì)所需要的元素的一組方案，使工程投入費(fèi)用降到最低。第三步，滿足約束條件。約束條件是一個(gè)建筑建設(shè)過程中必須始終滿足的對(duì)象，其內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、應(yīng)力、尺寸、變形、單元構(gòu)建和結(jié)構(gòu)體系等，在實(shí)際的設(shè)計(jì)工作中，要保證設(shè)計(jì)出來的結(jié)構(gòu)，其各項(xiàng)約束條件都滿足目標(biāo)的約束條件，也即符合規(guī)范的設(shè)計(jì)要求，從而做到最優(yōu)的設(shè)計(jì)?？拐鹨?guī)范GB50011-2010第3.6.6條明確規(guī)定，所有計(jì)算結(jié)果，應(yīng)經(jīng)分析判斷確認(rèn)其合理、有效后方可用于工程設(shè)計(jì)。

（二）整體和局部的優(yōu)化

任何一個(gè)建筑項(xiàng)目，都一定具備層次性和復(fù)雜性兩個(gè)特點(diǎn)。就層次性來講，它包括了建筑的設(shè)計(jì)體系、結(jié)構(gòu)體系和安裝體系，這三個(gè)大體系之下又包括一個(gè)個(gè)小的下屬體系，在房屋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員需要對(duì)下屬系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以打破多個(gè)布局之間的關(guān)聯(lián)作用，從而進(jìn)行工程的疊加。就復(fù)雜性來講，它包括了選取結(jié)構(gòu)類型、選取零部件和選取建筑材料等方面。從兩大特點(diǎn)綜合來看，在設(shè)計(jì)中放在第一位的都不是應(yīng)該局部整體而是整體，這樣，才能夠達(dá)到最優(yōu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（三）優(yōu)化建筑主體

建筑主體決定了房屋的安全性和可靠性。在房屋上部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中便應(yīng)該首先建立模型并不斷進(jìn)行優(yōu)化。過程的第一步是剪力墻的設(shè)置，保證其整體質(zhì)量均勻，從而使剛度中心與結(jié)構(gòu)中心重合，提高建筑對(duì)地震和大風(fēng)的抵抗能力。在設(shè)計(jì)中，如果滿足條件，那么應(yīng)盡可能地加大剪力墻的長度以減少剪力墻的數(shù)量，這樣有利于加強(qiáng)剪力墻的穩(wěn)定性同時(shí)降低混凝土的消耗。在剪力墻中一般會(huì)設(shè)置鋼材暗柱，如果剪力墻設(shè)計(jì)較大則可以相應(yīng)地減少鋼筋的使用，從而降低成本。但如果建筑本身不滿足設(shè)置較大剪力墻的條件或是要求建筑具備較高的抗壓抗震能力，那么就不能進(jìn)行較大剪力墻的設(shè)計(jì)。

（四）優(yōu)化排水系統(tǒng)

排水系統(tǒng)所在的房間通常進(jìn)行機(jī)械設(shè)備的存放，由于較大的荷載能力以及荷載強(qiáng)度，應(yīng)該盡可能將排水系統(tǒng)建在低下室的房間中，根據(jù)國家的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)管道的預(yù)留尺寸和預(yù)留深度，并對(duì)樓板鉆孔的位置進(jìn)行加固。另外，對(duì)于水平走向的管線也需要加以考慮，查看其是否有穿過稱重墻稱重柱的現(xiàn)象，應(yīng)極力避免這種現(xiàn)象的出現(xiàn)。如果因?yàn)楦黜?xiàng)綜合因素或考慮，無法避免管線穿過相關(guān)稱重件的時(shí)候，那么就需要對(duì)被穿的稱重件重新加固。

（五）優(yōu)化節(jié)約設(shè)計(jì)

建筑的設(shè)計(jì)在除去建筑的安全性、功能性上，最主要的目的顯示為了降低工程建設(shè)的投入，從而提高房屋的建設(shè)效益，因此，控制工程的造價(jià)便是關(guān)鍵問題。在設(shè)計(jì)中通常以優(yōu)化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)來降低造價(jià)。常規(guī)的房屋結(jié)構(gòu)包括框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架和剪力墻結(jié)合的結(jié)構(gòu)。這三種結(jié)構(gòu)都存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)中需要對(duì)這三種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺進(jìn)行深入的考量，結(jié)合實(shí)際的房屋需求，同時(shí)對(duì)造價(jià)和效益進(jìn)行考慮，以設(shè)計(jì)出最節(jié)約的方案。

4 小結(jié)

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法能夠在對(duì)建筑建設(shè)的功能性、安全性以及經(jīng)濟(jì)性上進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)優(yōu)化。在當(dāng)前土地和建材的價(jià)格都在持續(xù)上漲的今天，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法憑借其優(yōu)越性在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。優(yōu)化方法種類很多，這里需要設(shè)計(jì)者根據(jù)實(shí)際的情況，選擇合適的方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。其合理的運(yùn)用必然能夠給房屋的使用者帶來舒適與安全的用房體驗(yàn)，同時(shí)給開發(fā)商帶來更高的經(jīng)濟(jì)效益，將有利于社會(huì)和諧與發(fā)展。