探讨房屋建筑结构设计的经济性及优化技术的应用

高峰

（北京中外建建筑设计有限公司深圳分公司，广东深圳518000）

1 优化设计的原因

房屋建筑主体中，50%的成本通常花费在混凝土、钢筋、砌体等建筑材料中，并且该部分费用也是组成工程造价的主要内容。实践表明[1]，通过对结构的优化大约可有效降低总成本的10%～35%，对于大型建设工程，该部分费用风险较低，且资金数额通常较大，因此，开展结构优化设计不仅可以提高企业的资金周转率和利润，而且可以降低建设方的投资成本，具有巨大的经济价值。

据不完全统计，影响工程质量的主要因素为结构设计问题，约占总事故原因的40%。目前，各设计单位技术水平存在一定的差异，因设计质量造成工程项目返工、停工等现象十分常见。通过科学、合理的优化设计，可有利于业主提升设计质量，并且在降低工程风险，避免质量缺陷等方面发挥着重要的作用，可以在降低非必要投资的条件下提高工程项目品质，符合创建节约型社会主题。

结构的优化设计通常并非业主要求的核心内容，因此，设计单位往往存在成本控制意识薄弱、控制积极性不高等问题，并且设计师在技术水平不足、任务重、时间紧的条件下，并不能很好地帮助业主控制成本。在此背景下，结构的优化设计非常重要，其不仅是保证建筑安全、耐久性以及功能性的基本条件，而且在最大化追求经济型、节约建筑占地面积方面发挥着不可替代的作用，已成为结构设计领域研究的主要目标。

2 优化设计的原则

2.1 安全性

城市的发展和科技的进步推动了房屋建筑技术的不断提升，并对结构设计提出了更多的要求。结构优化设计不仅可以降低工程投入，节约建设成本，更重要的是可以保证结构的安全性能。如果仅以节约资金投入作为结构优化的判别依据，而不考虑结构的安全性，那么结构的优化将无任何价值和作用，并且不能保证结构安全的优化设计也是行不通的，因此，安全性是设计人员结构优化的根本原则和基础条件。

2.2 功能性

房屋建筑的功能性可通过优化设计体现，在优化过程中，不能以除去建筑物内部承压梁的形式提升空间范围，房屋建筑的功能和居住环境的舒适度是优化设计的重要原则，尤其是在目前的经济条件下，对房屋设计进行选择时，消费者有更加具体的功能性要求，只有在满足房屋功能性要求的条件下，建筑结构才能发挥它的实际价值和作用。

2.3 经济性

对建筑材料的优化使用是房屋设计经济性原则的主要方法，建筑施工是一个涉及多个领域的综合性大型工程，并且随着经济水平的快速发展，各个方面，如钢筋、混凝土、水泥、砌体等都需要投入大量的资金，进行工程建设时，各个分支的资金使用十分有限，这就要求在保证安全性的条件下，遵循经济性原则，通过节能材料的合理选择严格控制建筑成本，合理安排施工流程，减少不必要的成本投入。但是，并不能为了满足经济性原则而出现“豆腐渣”工程，保证居民的生命财产安全是经济性优化设计和施工的基础。

3 房屋建筑结构设计中优化技术的应用

3.1 房屋建筑结构的前期优化技术

为更加科学、合理地开展结构优化，设计人员在房屋结构设计前期，通常需要对多种设计方案进行商讨，并且不同的方案通常会形成各自的建筑形式。在实际应用时，应充分考虑房屋的建设需求，从而确定合理的设计方案，同时全面地分析准备工作也是方案设计前必不可少的内容，主要有施工设备的负荷值、设计参数以及建筑材料的确定等。在方案设计前，因存在较多的准备项目，通常会形成大量的数据资料，为保证设计方案的科学性和合理性，往往需要对这些数据资料进行分析演算。然而，采用常规的人力计算因速度慢、精度低等缺陷而存在一定的局限性，难以获得准确的结果。在实际的数据分析过程中，通常需要经验丰富的工作人员综合利用计算机完成数据资料的演算和分析。

3.2 加强数字技术应用

随着数字技术尤其是计算机的快速发展，传统的计算分析和图纸逐渐被数字化技术取代，在结构设计参数影响分析和快速设计结构方案时，数字化技术表现出了良好的适用性与可靠性。例如，可利用GAMES软件构建模型，该软件具有操作简单、处理快捷等优点，并在混合整数、线性及非线性优化方面有广泛的应用价值。另外，可利用TBCAD等软件进行科学、有效的建模分析和方案的优化，从而更加直观、准确地展现建筑结构形式。数字化计算机软件为处理结构优化设计的必备工具，在处理解决各种复杂情况时表现出了较强的使用功能。

3.3 重视概念设计优化技术

对建筑材料利用一系列的设计方法实现各个构件的相互配合与充分利用，最终实现结构的优化设计即为房屋优化设计的概念。建筑物通常存在多样化的结构布置形式，并且对同一建筑结构也可存在多种结构分析方法，对建筑材料和设计参数的选择可随着分析方法的改变而存在一定的差异。在分析处理各种优化问题时，仅依靠数字化软件仍然无法满足优化设计的要求，因此，设计人员的概念设计更加重要。不同的设计人员的设计经验、方式、技术水平、综合素质存在一定的差异，因此，对概念设计的理论也不尽相同。因此，加强对建筑人员素质的培养和经验积累是做好优化设计的关键内容，高素质的设计人员可根据其自身丰富的经验实现结构的优化设计。

3.4 加强房屋建筑防震安全结构设计

一般条件下，具备良好延性的分支体系通常是构成房屋抗震结构系统的主要内容，房屋结构的各个构件通过延性较好的构件进行连接可提高其抗震性能，如通过剪力墙与延性框架两分体的连接可构成建筑的框剪结构；另外，在结构体系中，采取对称、刚度均匀的布置形式是降低地震灾害的有效方法。通过结构的延展性设计可有效降低因地震灾害造成的房屋建筑脆性破坏。

在特大地震作用中，通常会伴随多次小、余震灾害的出现，据此可通过在房屋结构中设置一道防震线降低灾害损失，对于次要构件，可设计在地震先破坏的位置，并以此消耗地震能量达到保护重要构件的目的。进行房屋结构设计时，应尽可能地提高防震冗余度要求，并且建立结构体系屈服分布状态，最大程度地降低或消耗地震灾害的作用力。综上所述，进行房屋建筑优化设计时，可综合利用各项防震技术措施显著提升其抗震水平。

4 总结

在房屋结构设计中，应用优化技术不仅可有效提高建筑物耐久性、安全性以及功能性等特征，而且可以在满足人们对多样化居住需求的条件下，提升房屋的经济性与美观性，并降低房屋建筑的建设成本。因此，设计人员在进行结构优化时，应结合自身经验充分利用优化技术确定科学、合理的方案，尽可能地降低资金投入，提高项目经济性能。在实际工程应用中，虽然结构优化设计还存在各种各样的困难，但是经验越丰富的设计人员应利用现有技术方法和经验推动结构优化设计的进一步发展。