建筑工程结构设计优化浅析

2018-02-10王凯晓张海东威海思维建筑设计有限公司山东威海264200

中国房地产业 2018年18期

文/王凯晓、张海东威海思维建筑设计有限公司山东威海 264200

1、结构设计优化的重要性

（1）降低成本：随着社会的不断发展，人们的生活质量和水平日益提高，对建筑环境与建筑功能提出了更高的要求，越发注重建筑的美观性、舒适性与经济性。随着建筑的造型越来越新颖、功能越来越多样化、智能化，超高、超大跨等复杂建筑结构越来越多，所带来的影响是建筑结构设计安全性要求越高；结构体系更加复杂；施工难度不断增大；建材、能源、人力等消耗巨大。例如：国家体育场（鸟巢）建设过程中，在保持“鸟巢”建筑风格不变的情况下，中方设计师对原设计方案的结构布局、构件截面形式、材料利用率等问题进行了较大幅度的调整与优化。原设计方案中的可开启屋顶被取消，屋顶开口扩大，并通过对钢结构的设计优化，大大减少了用钢量，在保证建筑安全的前提下，以最经济的手段实现了降低工程成本的目的。

（2）结构更安全合理：优化房屋建筑结构设计，以全面发挥建筑使用性能为主，在结构设计理念中融入艺术学、审美学等理论，对建设目标与建筑性能全面考虑，在确保建筑结构设计安全稳定的前提下，制订完善的设计优化方案，在结构设计中采用合理的结构方案、体系、计算模型、构件，进行优化设计。

（3）缩短施工周期，利于节能环保：与以前模式中建筑结构优化设计对比，现代的优化设计方法，应合理配置各项建筑资源，提高各项资源利用效率，通过结构优化，化繁就简，降低施工难度同时也缩短了施工周期，相对减少了建筑施工期间对环境、大气的污染。例如目前比较普遍采用的装配式结构形式，因此，在建筑结构领域开展优化设计，也符合节约能源、保护环境和可持续发展的国家策略。

2、结构设计存在问题

2.1 建筑结构整体稳定性

如今，大部分建筑工程以高层建筑居多。然而，高层建筑在施工过程中，往往容易受到外界因素的影响，对建筑结构稳定性较易产生干扰。因此，建筑结构设计的稳定性及抗震性能便显得尤为重要，是设计人员必须考虑的因素之一。设计人员不仅需要考虑建筑物的宽度，还需要考虑建筑物基础的埋置深度。例如，由于基础的埋深不合理，一旦该地区发生地震，便会导致建筑物出现滑移的问题，甚至发生建筑物倾覆的事故，对居民财产安全及生命安全构成威胁。

2.2 结构设计安全问题

建筑结构设计安全是结构设计的重要环节，也是保证人们生命财产安全的重要防线。在结构设计中，随意加大构件截面或增加用钢量，并不一定会增加安全性，反而可能存在安全隐患。强柱弱梁的概念设计就是为了在地震作用下，塑性铰不优先出现于柱端，保证框架柱不会优先破坏，如果随意增加梁截面及钢筋，造成梁的刚度很大，在地震作用下，塑性铰就会优先出现于柱端，造成结构的整体破坏，甚至倒塌。因此结构设计安全必须引起重视。

3、建筑结构设计优化措施

3.1 管理制度方面

政府主管部门首先要进行优化设计工作的推行，通过行政手段保证优化工作的实施，加大设计市场的管理制度，完善相应法律、规范设计市场。引入设计监理这种方法是十分有必要的，通过设计监理的方式可以管理设计单位自己随心所欲的局面，通过严格准确的控制对项目设计进行监管，使工程更加经济和合理。完善公平竞争的设计市场，普及符合条件的项目设计招标。通过价值工程等方法对建筑设计方案进行选择。

3.2 使用价值工程分析法

通过价值工程分析法可以降低生产成本和使用成本，它重点是可以对工程设计功能进行分析，满足使用者的需求。多方协作后，借鉴之前的成功经验，改善更合理的设计方案，在团队集体的努力下，提高产品价值的可行性方案。根据工程的实际情况不只是追求提高功能性，而且是降低成本提高经济效益的有效方法，采取最佳的结构设计方案，价值工程是一个成熟的管理办法，而且在许多国家都到广泛的应用。

3.3 建筑基础设计

基础设计作为建筑结构设计的重中之重，其合理性不仅关乎于结构安全，也关乎于工程造价。通常一个建筑的基础造价是比较高的，典型的占20%左右，一个合理、可行的基础方案可以节省很多建材及人力，作为结构设计人员，应该做到更合理的选用基础形式，在保证安全的前提下，避免造成不必要的浪费。

案例分析：

山东威海某工程，两幢高层，一幢为酒店22层（层高3.5米，主体结构屋顶标高88米），一幢为公寓27层（层高3.0米，主体结构屋顶标高为94.5米）以及裙房5层，经计算，公寓单柱轴力标准值接近30000KN，酒店单柱标准值接近22000KN，原设计采用长螺旋钻孔灌注桩，初步设计直径为800mm，桩长约18米左右，单桩承载力特征值仅有2150KN左右，公寓楼一根柱下需要15跟桩左右，无法布桩，由于桩分布范围较大，筏板变形较大，配筋也较多，不经济。考虑到桩下部提供侧摩阻力的各层土以砾砂为主，而端部则为强风化岩，通过后注浆能够有效加强这些土体以达到提高承载力的效果，故提出了使用钻孔灌注桩加后注浆的方案，单桩承载力特征值预估值为4000KN（实际测试为5500KN）。通过优化设计，桩数由原来的2052根减少至1039根(756根)，工程总造价节省了约261.9万元（654.9万元），本工程采用后注浆工艺是成功的，也取得了很明显的经济效益，因此结构设计优化是每一个结构工程师的必修课，认真对待每一个工程，采取多方案、多形式的比较，选取最合理的方案，给甲方一个满意的交代，对自身也是一个提高，只有这样，才能促使我们设计人员不断进步，不至于被淘汰。