搜索
建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用张利红（北京大原正道建筑设计咨询有限公司北京100037）摘要：随着我国城市化进程的加快，建筑行业也得到了快速的发展，其中民用建筑的发展尤为突出，不仅数量增长快，房屋结构也在不断更新和完善。而房屋的结构设计直接关系着工程造价的成本，关系着企业的直接经济利益，因而得到了人们的特别关注。为此，本文主要就建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用进行了详细的分析与探讨，以供大家参考借鉴。关键词：建筑结构设计；优化方法；房屋结构设计；应用引言：建筑结构优化设计能够充分的利用材料和设备的性能，比传统的结构设计有更大的优势。建筑结构优化设计能将工程造价的成本大幅降低，给企业带来更大的经济利益，并且可以使房屋内部结构的各个单元能够有机的结合起来，具有高度的建筑规范规定的安全度。这样在满足房屋建筑物结构长远效益的前提下，为其设计整体性方案提供合理的前期决策，因此，房屋结构设计的优化设计是实现民用建筑“经济、适用”等目标的有效途径。1建筑结构优化设计的基本要求1.1功能性建筑是人类的基础物质生存环境，建筑结构优化的终极目标就是为了满足人类对物质生存环境的最大化需求。对功能性的满足也不再局限于传统的实用性功能，而是增添了舒适性、美观性、协调性等多种新元素，满足人类对基础物质生存环境的更高要求。1.2安全性建筑作为人类生存的基础生存环境，与人类的生产、生活紧密相关，安全性成为建筑结构优化设计的必然考虑因素。一味追求建筑结构的优化设计，忽略决策阶段、设计阶段、建设阶段的安全性，其作为建筑不但没有任何实际意义，反而会给人类正常生产和生活带来致命的危害。因此，安全性是结构优化设计中的必然考虑因素。1.3经济性建筑结构优化设计的经济性是市场经济条件下对资源配置提出的新要求。经济性是指通过建筑结构的优化设计，最大化的节约各种材料资源，达到减少建设成本的目标。另外，各种材料资源都存在一定的稀缺特性，建筑结构的优化设计能科学合理的减少材料的使用量，节省建设材料使用成本。1.4环保性建筑结构设计的环保性是继经济性之后的一大更高要求，建筑结构优化设计过程通过材料选用品种的环保、整体布局的环保来体现可持续的发展理念。在建筑资源的材料选用方面，在保证建筑本体功能性、安全性的基础上，最大可能的选择节能环保型材料，同时，在结构优化的整体布局中，不仅强调建筑主体内部结构的统一与环保，也包括建筑建设过程中废旧材料的处理与应用，更不能忽略建筑未来使用过程中对环境产生的重要影响。另外，材料选用的环保、整体布局的环保也是结构优化设计过程中安全性的体现。2建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用要点分析2.1选择节能指标较高的结构类型房屋结构形式的选择，意味着选择不同工程造价的建设模式，常见的结构设计形式有如下三种。(1)短肢剪力墙结构，这种结构形式常见于高层建筑，以混凝土结构技术规程为依托，这种结构形式相对于一般剪力墙的抗震级别要高，构造配筋率较高，但比起一般剪力墙，构造钢筋使用数量不多，所以在适当的时候可以选择短肢剪力墙这种结构形式。(2)框架结构，具有大开间、布局灵活性强和造价成本低的优点，但这种结构抗震能力弱，柱截面较大，形成的柱角凸出部位会妨碍家具的布置。(3)框架一剪力墙结构，即在框架结构中合理进行一定数量剪力墙的布置，这种结构合理，适用能力强，而且能够应对各种不同的变形压力，是一种抗侧力较好的结构。以上的三种结构形式各具优缺点，但我们在选择结构形式的时候，不能片面认为造价最低的方案就是最科学合理的方案，而是我们要结合房屋业主的功能需求，以及建设单位的投资水平和施工能力等方面的因素进行结构类型的综合分析，将投资与收益进行平衡优化，根据工程条件的客观实际情况选择最为合适的结构形式。2.2注重细部优化(1)关于箱、筏基础底板挑板的阳角问题阳角面积可砍成直角或斜角。如果底板钢筋双向双排，且在悬挑部分不变，阳角不必加辐射筋。(2)关于箱、筏基础底板的挑板问题虽然在计算时此处板并不应按挑板计算，当然此问题并不绝对，当有数层地下室，窗井横隔墙较密，且横隔墙能与内部墙体连通时，可灵活考虑；当地下水位很高，出基础挑板，有利于解决抗浮问题；从建筑角度讲，取消挑板，可方便柔性防水做法。(3)关于梁、板的计算跨度梁板结构，简单点讲，可认为是在梁的中心线上有一刚性支座，取消梁的概念，将梁板统一认为是一变截面板。在扁梁结构中，梁高比板厚大不了多少时，应将计算长度取至梁中心，选梁中心处的弯距和梁厚，及梁边弯距和板厚配筋取二者大值配筋。(借用台阶式独立基础变截面处的概念)柱子也可认为是超大截面梁，所以梁配筋时应取柱边弯距。削峰是正常的，不削峰才有问题。(4)基坑开挖结构优化基坑开挖时，摩擦角范围内的坑边的基底土受到约束，不反弹，坑中心的地基土反弹，回弹以弹性为主，回弹部分被人工清除。当基础较小，坑底受到很大约束，回弹可以忽略，在计算沉降时，应按基底附加应力计算。当基坑很大时，相对受到较小约束，如箱基，计算沉降时应按基底压力计算，被坑边土约束的部分当做安全储备，这也是计算沉降大于实际沉降的原因之一。(5)抗震缝抗震缝应加大，经统计，按规范要求设的防震缝在地震时有40%发生了碰撞，故应增大抗震缝间距。(6)回弹再压缩基坑开挖关于回弹再压缩基坑开挖时，摩擦角范围内的坑边的基底土受到约束，不反弹，坑中心的地基土反弹，回弹以弹性为主，回弹部分被人工清除。当基础较小，坑底受到很大约束，如独立基础，回弹可以忽略，在计算沉降时，应按基底附加应力计算。当基坑很大时，相对受到较小约束，如箱基，计算沉降时应按基底压力计算，被坑边土约束的部分当做安全储备，这也是计算沉降大于实际沉降的原因之一。(7)主梁有次梁处加附加筋总的原则，当主梁上次梁开裂后，从次梁的受压区顶至主梁底的截面高度的混凝土加箍筋能承受次梁产生的剪力时，主梁可不加附加筋。梁上集中力，产生的剪力在整个梁范围内是一样，所以抗剪满足，集中力处自然满足。主次深梁及次梁相对主梁截面、荷载较小时，也可满足。一般情况下，悬挑梁宜做成等截面，尤其出挑长度较短时与挑板不同，挑梁的自重占总荷载的比例很小，作成变截面不能有效减轻自重。变截面挑梁的箍筋，每个都不一样，加大施工难度。变截面梁的挠度也大于等截面梁，当然，外露的大挑梁，可适当变截面，使感官效果好些。2.3结构设计信息优化技术由于房屋建筑结构受到设计变量等条件的约束，难以用单一的方法进行结构优化。因此，鉴于房屋结构设计的复杂性，应该开发一种较为实用方便的参数定义优化软件，减少设计者在结构优化方面的精力和时间。本文主要介绍的是TBCAD系统，这种系统是针对结构方案设计、建模、分析、评估等为一体的成本控制软件系统，这种系统可以进行结构方案的指导设计，使得方案的人力、物力和财力资源等趋于最优状态。系统的信息分为两个时间段进行优化，第一个时间段是通过对材料的分配调整，使用最少的混凝土用量满足侧向刚度的要求，系统在这个时间段的目标函数是混凝土的使用量，而结构构件的断面大小则是设计的变量。第二个时间段是对构件强度的优化，通过对构件结构的断面大小以及钢用量的调整，使得构件的强度要求实现只需较少的结构造价。2.4材料的优化选择房屋建筑结构设计的目的便是花尽可能少的钱，做最安全、适用的建筑，这就要求结构设计时对材料的选用要合理，利用要充分。要根据结构构件的不同受力特点、工作环境和材料的力学性能特点，选用合适的建筑材料。在钢筋混凝土结构中，以受压为主的柱子，就要充分发挥钢筋混凝土材料中混凝土抗压性能好的特点，尽可能采用高标号混凝土，不但可以减小构件截面，增加使用空间，还能减轻结构自重。梁板以受弯为主，可采用高强度钢筋，以减少钢筋用量，同时要注意钢筋混凝土结构中钢筋与混凝土强度的匹配，最大限度地发挥出材料的性能。3结束语总之，通过建筑结构的优化设计，是实现建筑本体功能与控制建筑造价成本的重要手段。因此，设计人员应在保证建筑安全性的前提下，尽量对其结构设计进行优化，将适用、安全、经济、美观、易于施工等优点完美的结合，真正实现未来建筑结构的优化升级，从而为人类提供一个更为美好的生存与发展的环境。参考文献：[1]饶远文.结构设计优化技术及其在房屋结构设计中的应用[J].价值工程,2010,11(9).[2]陈颖.高层建筑结构优化设计分析[J].工程建设与设计,2010(08).[3]张友鸿.优化结构设计减少建筑投资成本[J].陕西建筑,2008,09(11).