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摘要: 随着社会的发展与进步，重视建筑结构优化设计对于建筑物的质量和使用具有重要的意义。本文对建筑结构优化设计的必要性进行分析，并深入详细探讨了建筑结构优化设计的主要措施。
关键词：建筑结构；优化设计；探讨；措施
对建筑工程进行优化设计一直是建筑师们共同的目标,任何一幢建筑的结构设计方案提出之后，从结构选型和构件布置开始就已经存在是否优化的问题，再加上随后的每一个设计程序也都需要结构工程师去进行精心思考、准确计算和合理选用建筑材料等全过程的优化设计，才能最终产生优化的结构。结构优化设计不应仅仅在结构本身，而是应包括建筑的各方面，比如，提高建筑空间利用率、增加建筑投入使用后的舒适度和提高建筑的经济效益等。为此，科学地确定建筑结构优化设计几项基本原则并有效地按照这些基本原则去进行建筑结构设计，是非常重要的。
一、建筑结构优化设计的必要性
为了达到结构优化设计的目的，工程设计人员必须在保证结构安全的前提下，通过对建筑结构的理性分析，采用合理的优化设计理念和方法进行优化设计，使得能有效地控制工程造价，满足投资方的经济要求。通过以往的优化设计经验来看，相比于传统的设计方法，优化设计通常可以达到降低工程造价的目的。但是在实际的工程设计中，很多因素都制约了优化设计的开展和实施。比如，工程的设计进度的要求，使得设计人员根本无暇顾及到结构的优化设计要求，再者，由于知识水平的限制，傻瓜化的设计软件使得年轻设计人员对优化设计的理解缺乏，更谈不上有效合理的优化设计，大部分设计人员在所谓优化设计中总着眼于局部部位而忽略了结构总体方案的设计，没有从总体布局上考虑造价的控制。为此，为了降低工程造价的成本，提高设计人员在工程建设过程中对优化设计的设计把握非常必要，只有加强技术和经济效益的有效结合，通过合理的优化设计方案，达到降低工程造价的目的，创造更大的社会效益。
二、建筑结构优化设计措施
1.局部优化与整体优化
每个建设项目的设计都是包含其复杂性和层次性两个特点的系统的设计。从复杂性来讲包括结构选型、材料、构件选用等方面；从层次性来讲包括建筑设计系统、结构设计系统、设备安装系统设计等,其每个系统下面又包含多个子系统。设计过程中对每个小的分系统或子系统进行优化实际上等于割断了各局部之间的横向联系,最终叠加而成的工程并不一定能够实现最终的整体最优化。因此,对于任何建筑来说必须对其全局进行优化才能实现真正的优化。
2.分段优化与寿命期优化
任何工程项目在其寿命期内的各个环节中都有很多方案可供选择,即每个阶段都存在优化方案,设计人员应根据各阶段性质来决定对应的优化方法,即对工程寿命期优化,才能最终实现项目在每个阶段优化,但又不影响最终整个寿命期的优化。
3.桩基优化
桩基分为预制桩与灌注桩两种,由于灌注桩在成桩过程中其质量难以把握,且其施工周期远远长于预制桩,因此在满足沉降控制、上部承载以及基础总重的前提下应尽可能使用预制桩,同时,由于一般情况下随着基础深度增加,地基土对桩身的侧摩阻力及桩端阻力都随之增大,因此应尽可能选用较大长度的桩和桩位。为了能够尽量减少基础底板厚度以及钢筋用量应尽量采用轴线桩,使其尽量布置在剪力墙之下。
4.基础优化
在采用轴线桩的前提下,应尽量选用条形承台,若建筑物没有地下室时则应仅布置条形承台梁,有地下室时则应采用条形承台梁加止水底板,若建筑高度较低则承台梁高可以同地下室止水板厚度相同,建筑高度较高则其梁高应根据计算确定。止水板的荷载取值一般应根据其上部结构总重的20%与水浮力之和与上部结构总重的30%中大者来做为计算依据,但目前有人认为该值应以最不利水位来考虑水浮力,而地基土对地下室底板的作用占上部结构比例应根据沉降计算结果区别对待,其取值范围应在5%～20%之间。
5.上部结构优化
上部结构模型的建立以及优化应从合理的剪力墙布置开始,并应遵循剪力墙平面分布均匀、对称且楼层平面刚度中心与楼层结构重心相结合的原则,以尽量减小水平地震和风荷载作用下的扭转效应；若建筑房型允许应优先采用大开间剪力墙结构,并适当加长剪力墙墙肢长度,其既可以减少剪力墙墙肢总数也可以实现在楼层侧向刚度相同的情况下可以大大减少剪力墙的混凝土用量,同时由于在剪力墙结构中钢筋用量最大的部位是暗柱,采用大开间剪力墙可以在很大程度上减少暗柱的钢筋用量；但若建筑物所处地质条件较差但建筑对抗震要求较高的地段则应尽量避免大开间剪力墙结构；在墙柱都确定好后,连梁(跨高比小于5)的高度一般取窗顶与楼层之间的高度,而跨高比大于5的跨度较大的框架梁其高度则取跨度的1/12即可；对于建筑楼板厚度除应满足相应规定外,重要就是准确输入楼层层高及层数以正确计算各楼层对应的荷载；在这些基本构件确定之后则应进行人工修改、干预诸如梁端铰接设置、框支梁柱定义、混凝土容重、风荷载等相关定义及参数,尽量达到计算模型与实际建筑匹配；之后则应对设计结果进行电算,并必须分析电算结果的合理性。
6.建筑与结构专业的协调
设计过程中应尽量实现建筑结构与建筑平面密切配合,以实现结构合理、美观实用的结果。建筑墙柱布置应满足建筑物平面功能要求；各房间开间进深等应尽量统一便于构件标准化；建筑体系应尽量简单,墙柱不易错位,截面面积不宜出现明显变化,同楼层内标高应尽量一致,不宜设置错层即夹层结构；楼梯电梯等不宜布置在受力复杂或应力集中的转角部位,非承重构件应尽量选用轻质材料,承重构件选用高强材料实现减轻结构自重,建筑整体布置应力求简单、规则,并尽量保持建筑质心、刚心尽量重叠,防止发生扭转效应。
7.结构与给排水专业的协调
由于给排水专用房屋内含有设备及设备基础,其荷载往往远远高于其他房间,因此,水泵间应尽量设置在地下室或半地下室内；给排水房间内管道数量多、粗细不均,因此应确保预留孔洞及预埋件位置及尺寸准确,并对楼板孔进行局部加强,同时应尽量避免水平管道穿过梁柱；管道穿过承重墙时应采取加固措施；应尽量保证结构布置为管网系统创造条件,避免出现管道绕梁绕柱现象；建筑内尤其是高层建筑内空调设备通常与电梯、楼梯、卫生间等布置在核心区域,因此在结构设计时应重点考虑该类房间内楼面负荷,避免该类房间内由于管道多出现超载现象,另外由于设备层层高不同于标准层,且内部应力集中,因此应着重考虑该房间内抗震加固措施。
8.结构与电气专业协调
电气管线若以导线在金属管内沿墙或楼板暗装则对于预制结构带来很大困难,因此穿过梁的垂直管线应在预制时在梁内预留孔洞,并要保证梁宽与墙厚尽量一致,若不一致则应要求墙的一侧与梁的侧面平齐,以确保穿梁管线不外露于墙外；电梯机房内空洞、预埋件非常多其荷载相应增大,因此该房间内应进行单独计算来确定其强度,另外电梯井道一般除受竖向荷载外还受水平力作用,因此应单独校核其强度尤其是洞口处强度。建筑物尤其是高层建筑设计是一项复杂的系统工程,设计人员不仅要研究建筑地基、基础及上部结构的共同工作性,还应与各专业密切配合、协调,确保计算的准确性等方面实现建筑物的优化设计。
参考文献:
[1]卢建勇.如何搞好房屋建筑结构的优化设计[J].中国房地产业.2011(03)
[2]原尊.建筑结构优化设计技术分析[J].中国房地产业.2011(03)
关键词：建筑结构；优化设计；探讨；措施
对建筑工程进行优化设计一直是建筑师们共同的目标,任何一幢建筑的结构设计方案提出之后，从结构选型和构件布置开始就已经存在是否优化的问题，再加上随后的每一个设计程序也都需要结构工程师去进行精心思考、准确计算和合理选用建筑材料等全过程的优化设计，才能最终产生优化的结构。结构优化设计不应仅仅在结构本身，而是应包括建筑的各方面，比如，提高建筑空间利用率、增加建筑投入使用后的舒适度和提高建筑的经济效益等。为此，科学地确定建筑结构优化设计几项基本原则并有效地按照这些基本原则去进行建筑结构设计，是非常重要的。
一、建筑结构优化设计的必要性
为了达到结构优化设计的目的，工程设计人员必须在保证结构安全的前提下，通过对建筑结构的理性分析，采用合理的优化设计理念和方法进行优化设计，使得能有效地控制工程造价，满足投资方的经济要求。通过以往的优化设计经验来看，相比于传统的设计方法，优化设计通常可以达到降低工程造价的目的。但是在实际的工程设计中，很多因素都制约了优化设计的开展和实施。比如，工程的设计进度的要求，使得设计人员根本无暇顾及到结构的优化设计要求，再者，由于知识水平的限制，傻瓜化的设计软件使得年轻设计人员对优化设计的理解缺乏，更谈不上有效合理的优化设计，大部分设计人员在所谓优化设计中总着眼于局部部位而忽略了结构总体方案的设计，没有从总体布局上考虑造价的控制。为此，为了降低工程造价的成本，提高设计人员在工程建设过程中对优化设计的设计把握非常必要，只有加强技术和经济效益的有效结合，通过合理的优化设计方案，达到降低工程造价的目的，创造更大的社会效益。
二、建筑结构优化设计措施
1.局部优化与整体优化
每个建设项目的设计都是包含其复杂性和层次性两个特点的系统的设计。从复杂性来讲包括结构选型、材料、构件选用等方面；从层次性来讲包括建筑设计系统、结构设计系统、设备安装系统设计等,其每个系统下面又包含多个子系统。设计过程中对每个小的分系统或子系统进行优化实际上等于割断了各局部之间的横向联系,最终叠加而成的工程并不一定能够实现最终的整体最优化。因此,对于任何建筑来说必须对其全局进行优化才能实现真正的优化。
2.分段优化与寿命期优化
任何工程项目在其寿命期内的各个环节中都有很多方案可供选择,即每个阶段都存在优化方案,设计人员应根据各阶段性质来决定对应的优化方法,即对工程寿命期优化,才能最终实现项目在每个阶段优化,但又不影响最终整个寿命期的优化。
3.桩基优化
桩基分为预制桩与灌注桩两种,由于灌注桩在成桩过程中其质量难以把握,且其施工周期远远长于预制桩,因此在满足沉降控制、上部承载以及基础总重的前提下应尽可能使用预制桩,同时,由于一般情况下随着基础深度增加,地基土对桩身的侧摩阻力及桩端阻力都随之增大,因此应尽可能选用较大长度的桩和桩位。为了能够尽量减少基础底板厚度以及钢筋用量应尽量采用轴线桩,使其尽量布置在剪力墙之下。
4.基础优化
在采用轴线桩的前提下,应尽量选用条形承台,若建筑物没有地下室时则应仅布置条形承台梁,有地下室时则应采用条形承台梁加止水底板,若建筑高度较低则承台梁高可以同地下室止水板厚度相同,建筑高度较高则其梁高应根据计算确定。止水板的荷载取值一般应根据其上部结构总重的20%与水浮力之和与上部结构总重的30%中大者来做为计算依据,但目前有人认为该值应以最不利水位来考虑水浮力,而地基土对地下室底板的作用占上部结构比例应根据沉降计算结果区别对待,其取值范围应在5%～20%之间。
5.上部结构优化
上部结构模型的建立以及优化应从合理的剪力墙布置开始,并应遵循剪力墙平面分布均匀、对称且楼层平面刚度中心与楼层结构重心相结合的原则,以尽量减小水平地震和风荷载作用下的扭转效应；若建筑房型允许应优先采用大开间剪力墙结构,并适当加长剪力墙墙肢长度,其既可以减少剪力墙墙肢总数也可以实现在楼层侧向刚度相同的情况下可以大大减少剪力墙的混凝土用量,同时由于在剪力墙结构中钢筋用量最大的部位是暗柱,采用大开间剪力墙可以在很大程度上减少暗柱的钢筋用量；但若建筑物所处地质条件较差但建筑对抗震要求较高的地段则应尽量避免大开间剪力墙结构；在墙柱都确定好后,连梁(跨高比小于5)的高度一般取窗顶与楼层之间的高度,而跨高比大于5的跨度较大的框架梁其高度则取跨度的1/12即可；对于建筑楼板厚度除应满足相应规定外,重要就是准确输入楼层层高及层数以正确计算各楼层对应的荷载；在这些基本构件确定之后则应进行人工修改、干预诸如梁端铰接设置、框支梁柱定义、混凝土容重、风荷载等相关定义及参数,尽量达到计算模型与实际建筑匹配；之后则应对设计结果进行电算,并必须分析电算结果的合理性。
6.建筑与结构专业的协调
设计过程中应尽量实现建筑结构与建筑平面密切配合,以实现结构合理、美观实用的结果。建筑墙柱布置应满足建筑物平面功能要求；各房间开间进深等应尽量统一便于构件标准化；建筑体系应尽量简单,墙柱不易错位,截面面积不宜出现明显变化,同楼层内标高应尽量一致,不宜设置错层即夹层结构；楼梯电梯等不宜布置在受力复杂或应力集中的转角部位,非承重构件应尽量选用轻质材料,承重构件选用高强材料实现减轻结构自重,建筑整体布置应力求简单、规则,并尽量保持建筑质心、刚心尽量重叠,防止发生扭转效应。
7.结构与给排水专业的协调
由于给排水专用房屋内含有设备及设备基础,其荷载往往远远高于其他房间,因此,水泵间应尽量设置在地下室或半地下室内；给排水房间内管道数量多、粗细不均,因此应确保预留孔洞及预埋件位置及尺寸准确,并对楼板孔进行局部加强,同时应尽量避免水平管道穿过梁柱；管道穿过承重墙时应采取加固措施；应尽量保证结构布置为管网系统创造条件,避免出现管道绕梁绕柱现象；建筑内尤其是高层建筑内空调设备通常与电梯、楼梯、卫生间等布置在核心区域,因此在结构设计时应重点考虑该类房间内楼面负荷,避免该类房间内由于管道多出现超载现象,另外由于设备层层高不同于标准层,且内部应力集中,因此应着重考虑该房间内抗震加固措施。
8.结构与电气专业协调
电气管线若以导线在金属管内沿墙或楼板暗装则对于预制结构带来很大困难,因此穿过梁的垂直管线应在预制时在梁内预留孔洞,并要保证梁宽与墙厚尽量一致,若不一致则应要求墙的一侧与梁的侧面平齐,以确保穿梁管线不外露于墙外；电梯机房内空洞、预埋件非常多其荷载相应增大,因此该房间内应进行单独计算来确定其强度,另外电梯井道一般除受竖向荷载外还受水平力作用,因此应单独校核其强度尤其是洞口处强度。建筑物尤其是高层建筑设计是一项复杂的系统工程,设计人员不仅要研究建筑地基、基础及上部结构的共同工作性,还应与各专业密切配合、协调,确保计算的准确性等方面实现建筑物的优化设计。
参考文献:
[1]卢建勇.如何搞好房屋建筑结构的优化设计[J].中国房地产业.2011(03)
[2]原尊.建筑结构优化设计技术分析[J].中国房地产业.2011(03)