建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法及應(yīng)用探討

熊雄

（武漢建工科研設(shè)計(jì)有限公司，湖北 武漢 430023）

1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化理念

在建筑行業(yè)不斷的發(fā)展探索中，當(dāng)前社會(huì)對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)各項(xiàng)設(shè)計(jì)性能需求也有了新的變化，針對(duì)這些變化可以提出以下幾個(gè)理念：①提高安全性能。為了更好的保障人們正常的工作和生活，建筑安全性能的優(yōu)化是不容忽視的。②提升建筑的功能性。當(dāng)前建筑的使用功能不僅僅是居住、工作。它可以有更多的設(shè)計(jì)用途，所以優(yōu)化建筑使用的多功能性，以滿足使用者的各項(xiàng)需求。③優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)美觀，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。建筑要能夠結(jié)合周圍的地理環(huán)境，在保護(hù)環(huán)境不造成污染的同時(shí)，盡量采用綠色環(huán)保的建筑材料，深入貫徹可持續(xù)發(fā)展的理念。④提高利用價(jià)值。建筑最重要的是保證它未來的發(fā)展，不能只顧眼前的利益而使用廉價(jià)劣質(zhì)的建筑材料，雖然節(jié)約了成本，但是卻降低了它的使用價(jià)值。

2 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法

2.1 優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要考慮的因素較多，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是指建筑承重構(gòu)件的布置與計(jì)算，以及構(gòu)件使用的材料、形狀、大小及內(nèi)部鋼筋構(gòu)造的工程圖樣的繪制工作，這是建筑各個(gè)施工階段的重要依據(jù)。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本流程，目前廣泛采用的應(yīng)用流程為：首先，確定結(jié)構(gòu)布置方案并在結(jié)構(gòu)分析軟件中計(jì)算通過后，根據(jù)計(jì)算結(jié)果在二維CAD中繪制構(gòu)件的布置、尺寸及配筋。這種基于CAD的結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)方式存在不直觀、錯(cuò)漏點(diǎn)較多、與其他專業(yè)協(xié)同性差等問題，二維圖紙不能對(duì)施工進(jìn)行準(zhǔn)確的指導(dǎo)，造成施工圖信息與算量信息割裂，越來越難以適應(yīng)新的行業(yè)工作模式，因此，必須要采用新的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)。

2.2 創(chuàng)建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化模型

建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算方案及優(yōu)化設(shè)計(jì)模型在建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中發(fā)揮著十分重要的作用。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化存在多個(gè)變量中，選擇最為關(guān)鍵的參數(shù)，并以此為基礎(chǔ)建立函數(shù)模型，得出最佳參數(shù)。在建立模型的過程中，首先要合理選擇設(shè)計(jì)變量，這直接關(guān)系到模型建立的科學(xué)性與合理性，之后再確定目標(biāo)函數(shù)，還要篩選滿足函數(shù)條件的最優(yōu)解后確定約束條件，如尺寸、強(qiáng)度、彈塑性和應(yīng)力等要求。另外，設(shè)計(jì)人員務(wù)必保障約束條件均滿足設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行編制優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，在計(jì)算過程中采取有效措施將約束條件變?yōu)榉羌s束條件，促進(jìn)設(shè)計(jì)優(yōu)化工作的有序開展，還要全面考慮變量因素的影響，采取切實(shí)可行的計(jì)算方式，達(dá)到建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)。最后，將程序直接導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，后期計(jì)算中將數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)在數(shù)據(jù)分析和計(jì)算后方可得出最終結(jié)果，以直觀生動(dòng)的方式展現(xiàn)給設(shè)計(jì)人員，但該過程需要具有計(jì)算機(jī)編程技術(shù)的專業(yè)人員才能實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)設(shè)計(jì)軟件計(jì)算原理的理解，靈活運(yùn)用軟件，對(duì)計(jì)算結(jié)果的可靠性進(jìn)行判斷。

2.3 優(yōu)化組件布局設(shè)計(jì)

剪力墻結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)是建筑工程的重要組成部分，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的過程就是對(duì)這些組件進(jìn)行合理的優(yōu)化和設(shè)計(jì)。在剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，在保證剪力墻豎向剛度的同時(shí)，側(cè)向剛度必須滿足設(shè)計(jì)要求。此外，在設(shè)計(jì)時(shí)在控制剪力墻的數(shù)量和剛度，降低計(jì)算難度?？蚣芰翰捎脤挾降臋M梁，其可以降低斷面高度，又能增加建筑物的凈高，軸壓比對(duì)框架柱的安全性至關(guān)重要，在上部軸力明確的情況下應(yīng)對(duì)框架柱部分進(jìn)行適當(dāng)加固。

2.4 基礎(chǔ)及地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法

基礎(chǔ)及地下室樓蓋的設(shè)計(jì)優(yōu)化，應(yīng)充分結(jié)合地基承載力、施工場地水位條件、地上覆土情況等。常用的基礎(chǔ)及地下室樓蓋選型方案優(yōu)化如下：①進(jìn)行樁基設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分結(jié)合灌注樁與預(yù)制樁的優(yōu)缺點(diǎn)，一般預(yù)制樁承載力較低，造價(jià)較高，灌注樁反之。故裙樓基底壓力較小部位采用預(yù)制樁，主樓部分采用灌注樁。②基礎(chǔ)底板的設(shè)計(jì)時(shí)，筏板基礎(chǔ)+柱墩與止水板+獨(dú)基的基礎(chǔ)方案比選應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目而定。一般而言，使用天然基礎(chǔ)時(shí)采用筏板基礎(chǔ)+柱墩更優(yōu)，采用樁基基礎(chǔ)且存在地下水位時(shí)，止水板+獨(dú)基方案更優(yōu)，止水板抗浮計(jì)算配筋遠(yuǎn)小于筏板基礎(chǔ)，且構(gòu)造厚度及最小配筋率要求均小于筏板基礎(chǔ)。③住宅類地下室樓蓋設(shè)計(jì)條件較為單一，多為覆土厚度控制并疊加消防車及人防荷載。經(jīng)多輪方案比選，含鋼量排序：單向次梁樓蓋方案＜十字梁樓蓋方案≈無梁樓蓋＜井字梁樓蓋方案。最后，基礎(chǔ)及地下室樓蓋的設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)應(yīng)確保結(jié)構(gòu)安全，避免出現(xiàn)由于結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化而出現(xiàn)地下室開裂漏水等現(xiàn)象。

2.5 BIM技術(shù)及裝配式設(shè)計(jì)引領(lǐng)的節(jié)能優(yōu)化

在后期優(yōu)化設(shè)計(jì)中可以引入BIM技術(shù)提升設(shè)計(jì)參數(shù)的精準(zhǔn)性，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的空間布局。BIM技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)可視化目標(biāo)，解決一些技術(shù)性問題，如組件碰撞、參數(shù)設(shè)置誤差等。在實(shí)際應(yīng)用過程中，可以將目標(biāo)建設(shè)區(qū)域的相關(guān)參數(shù)輸入到系統(tǒng)中，能夠進(jìn)行自主計(jì)算，還能將其用于工程造價(jià)核算和施工進(jìn)度預(yù)測(cè)等方面，這樣能夠有效控制成本提升建模的科學(xué)性，與節(jié)能可持續(xù)發(fā)展理念相一致。

3 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化應(yīng)用

3.1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型展示裝置的應(yīng)用

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型展示裝置中，包括支撐組件、調(diào)整組件、第一模型和第二模型，調(diào)整組件包括固定框架、滑道、第一螺絲孔、調(diào)節(jié)螺桿和調(diào)節(jié)孔。固定框架內(nèi)側(cè)的兩邊固定連接有兩組滑道，固定框架內(nèi)側(cè)另外兩邊的中心處均開設(shè)有第一螺絲孔，兩個(gè)第一螺絲孔的內(nèi)部均螺紋連接有一個(gè)調(diào)節(jié)螺桿，固定框架兩側(cè)的中部均開設(shè)有調(diào)節(jié)孔，兩個(gè)調(diào)節(jié)孔和兩組滑道相對(duì)應(yīng)。支撐組件包括底板、支撐桿、頂板、支撐板、限位孔、第二螺絲孔和支撐柱，該建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型展示裝置，擰動(dòng)兩個(gè)調(diào)節(jié)螺桿，使第一模型和第二模型分開，進(jìn)而可以觀看兩個(gè)模型內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)便于觀察和展示效果好的目的，而且通過限位螺栓可以轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整組件，進(jìn)而使第一模型和第二模型轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而可以在多個(gè)角度觀察模型的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了便于觀察和展示效果好的目的。同時(shí)該建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型展示裝置，把兩個(gè)模型卡接到兩組滑道的內(nèi)部，可以使兩個(gè)模型穩(wěn)定地固定在調(diào)整組件的內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定性好的目的。

3.2 結(jié)構(gòu)平面布置優(yōu)化方案

在整個(gè)結(jié)構(gòu)布置方面，要遵循簡單的基本原則，同時(shí)要體現(xiàn)出規(guī)則化特點(diǎn)。剪力墻盡可能布置在建筑四周或者門窗洞口上下對(duì)齊的位置處，要沿著兩個(gè)主軸方向進(jìn)行雙向布置，同時(shí)兩個(gè)方向相互之間的側(cè)向剛度要盡可能相近，且兩者之間的剛度之差不要超過20%，盡可能減少短肢剪力墻在其中的布設(shè)數(shù)量，要與建筑之間建立良好的溝通和交流關(guān)系，避免對(duì)建筑外立面或者造型產(chǎn)生任何影響。對(duì)一般剪力墻進(jìn)行合理布設(shè)，在針對(duì)梁或者柱進(jìn)行布置時(shí)，盡可能避免大跨度等情況，盡量少使用型鋼梁柱。對(duì)設(shè)備管井隔墻下的結(jié)構(gòu)小梁進(jìn)行合理利用。對(duì)板頂附加鋼筋進(jìn)行適當(dāng)更改，這樣能夠從根本上實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土以及鋼筋整體使用量的有效控制。對(duì)于樓板的厚度以及大跨度雙向板，通常是直接將跨度的1/40作為衡量依據(jù)，同時(shí)盡可能滿足裂縫以及撓度方面提出的要求。針對(duì)地下車庫進(jìn)行布置時(shí)，與方案方或者甲方進(jìn)行溝通之后，結(jié)合基礎(chǔ)形式，在淺基礎(chǔ)的情況下，采用小柱網(wǎng)會(huì)經(jīng)濟(jì)些。而在梁板結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)以及優(yōu)化方面，可以根據(jù)實(shí)際情況不同，對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行對(duì)比選擇，對(duì)覆土厚度、消防車荷載以及人防荷載等相關(guān)因素條件展開綜合分析。針對(duì)各個(gè)不同區(qū)域，對(duì)不同梁板形式進(jìn)行合理利用，這樣不僅能夠從根本上實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)布置的完善和優(yōu)化，而且能夠從源頭處實(shí)現(xiàn)對(duì)成本的節(jié)約。

3.3 抗震性能優(yōu)化應(yīng)用

從整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)體系入手，為了形成良好的設(shè)計(jì)優(yōu)化效果，設(shè)計(jì)人員除了考慮到基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性外，還應(yīng)該圍繞整體結(jié)構(gòu)抗震性能嚴(yán)格把關(guān)，明確影響結(jié)構(gòu)抗震性能的各個(gè)因素，以形成更為理想的抗震性能保障效果。設(shè)計(jì)人員可以借助一些先進(jìn)軟件予以綜合分析，比如BIM技術(shù)不僅僅可以輔助設(shè)計(jì)人員評(píng)估各個(gè)結(jié)構(gòu)位置的抗震效果，還能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)算分析，進(jìn)而有效處理各個(gè)故障點(diǎn)，降低優(yōu)化難度。

3.4 現(xiàn)代信息技術(shù)應(yīng)用

以BIM技術(shù)為代表的現(xiàn)代化信息技術(shù)，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中具有廣泛地應(yīng)用，通過采用BIM技術(shù)能夠建立結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三維模型，且能夠?qū)⒔ㄖこ绦畔⑷诤显谙到y(tǒng)內(nèi)，還能提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化工作效率，同時(shí)能夠根據(jù)數(shù)學(xué)模型的計(jì)算結(jié)果，確定建筑結(jié)構(gòu)每個(gè)細(xì)節(jié)的具體設(shè)計(jì)方案并優(yōu)化。信息技術(shù)具有可視化、立體化以及數(shù)據(jù)化等多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，比于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算更加準(zhǔn)確，且三維立體模型更加直觀，有利于設(shè)計(jì)人員開展高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化工作，對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及后續(xù)的施工具有重要指導(dǎo)作用。

4 結(jié)語

總之，隨著現(xiàn)代建筑對(duì)質(zhì)量要求的提高，結(jié)構(gòu)更趨向于復(fù)雜化，功能更加多樣化，為了保證質(zhì)量安全和功能實(shí)現(xiàn)，必須在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段應(yīng)用優(yōu)化技術(shù)，完善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，對(duì)于設(shè)計(jì)人員而言，還必須不斷地提升自身的設(shè)計(jì)技能，熟練掌握相關(guān)軟件的應(yīng)用，從而提升結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的質(zhì)量。