房屋建筑结构优化设计探讨

2021-04-01周皓沈阳

工程建设与设计 2021年12期

周皓，沈阳

（浙江省建筑设计研究院，杭州 310010）

1 建筑结构优化设计的意义

1.1 有利于提高材料的有效利用率

在我国建筑行业长期的发展过程中，人们越来越重视建筑结构优化设计的作用，各个工程企业在参与房屋建筑结构设计时，都希望以最少的资金投入和材料消耗来达到最佳的建筑结构效果。从结构优化设计的角度来看，结构性能最佳的方案并不意味着材料利用率也是最高的。因此，专业设计人员在开展房屋建筑结构设计时，需要综合考虑多种因素，提高建筑材料的综合利用率，注重新型建筑材料的使用。而房屋建筑结构的优化设计在很大程度上可以提升材料的利用率，比如，在结构设计中，可以使用钢管混凝土结构，这种结构是一种新型建筑材料，充分发挥了钢管和混凝土材料在建筑结构中的作用，提高了结构的抗变形能力和抗压强度，与一般的钢结构相比，在结构承载力、自重大致相同的条件下，钢管混凝土结构的钢材使用量减少，仅为普通钢结构的50%，且在结构施工过程中的焊接工艺相对简单[1]。

1.2 有利于提高建筑结构的经济性

随着我国城市化进程的推进，房屋建筑呈现出高层化的发展趋势，高层建筑的出现虽然缓解了土地资源紧张的局面，但是，增加了房屋建筑结构设计的难度。因为随着建筑高度的增加，墙体面积、柱结构体积以及建筑的结构自重将大幅度增加，需要使用的各类建筑材料也相对较多。通过科学的结构优化设计，在很大程度上可以在满足结构性能要求的基础上，节约各种施工材料，提高建筑结构的经济性[2]。

2 建筑结构优化设计的步骤

2.1 建立结构优化模型

房屋建筑结构优化设计的难度较大，主要是因为整个结构中的构成要素非常多，且不同的构成要素之间都存在着紧密的关联性，这就要求结构优化设计从整体的角度出发。为了保障优化设计的效果，首先应建立建筑结构模型，从多个变量中选择最为重要的参数，以这些参数构建函数模型，计算得出最优解，作为结构优化设计的依据[3]。

2.2 对变量进行选择

变量的选择是建筑结构优化设计的一个关键内容，在前期的模型建立和目标函数确定的基础上进行变量选择。选择变量时，设计人员需要结合建筑本身的结构形式，对可能影响建筑结构设计的因素进行分析和控制，并从这些因素中选择对结构设计影响较大的变量，对其进行计算和控制，这种方式可以将建筑结构的优化过程得到全面的展现。

2.3 结果分析

结果分析是建筑结构设计中的最终环节，这一环节需要依据程序运行的结果进行相应的分析，并作为结构优化设计的参考。优化结构设计方案时，应理清楚建筑结构经济性和技术性之间的关系，尽量减小二者之间的冲突，积极采用现代化的计算机技术进行优化设计，保障最终的结构设计方案是合理的、科学的。

3 房屋建筑结构优化设计的内容

3.1 整体优化和局部优化

房屋建筑结构设计的层次性和复杂性特征突出，从层次性角度来分析，整个房屋建筑设计中涉及了结构设计、安装设计等诸多分支，且不同的分支下还细分了很多的设计要素，因此，应根据整体结构和局部结构的要求和特点来开展有针对性的设计，解决结构设计方面所面临的各种难题。其次，从复杂性的角度来看，房屋建筑结构设计不仅包含了基本的结构设计和优化，更是涉及了原材料的选择、零部件的使用、结构构件的选择等内容[4]。因此，为保障结构设计优化效果，应从整体优化和局部优化的协调关系出发，处理好每个结构的细节问题。比如，在主体结构优化设计中，应从墙面结构优化、支撑体系优化的角度，对墙面厚度、宽度等各种参数加以细微调整，保障整体结构和局部结构之间的协调性。

3.2 基础优化设计

房屋建筑的基础结构对于整体结构的影响是非常大的，基础设计是否合理会关系到房屋建筑的稳定性与安全性。因此，进行房屋建筑工程基础设计时，应根据工程现场的地质条件选择最为恰当的基础结构类型。比如，一些房屋建筑的筏板基础设计中，常常会面临上下柱墩抗冲切情况，当墩柱尺寸相同时，上柱墩可以满足冲切需求，而下柱墩却难以达到冲切标准，这种基础结构方面的问题往往是由于上柱墩与冲切线之间存在相交的情况，而相同尺寸的下墩柱与冲切线不相交；上下墩柱选择不合理，一旦在基础施工过程中土方的开挖量相对较大时，往往需进行下柱墩的科学设计。针对筏板基础设计方面的这一问题，应结合具体的基础设计标准进行各个细节的科学设计和调整。总之，任何的房屋建筑基础设计中，专业设计人员都应加强对地基地质、基础结构等方面的综合分析，在最终的基础结构设计方案确定时，充分从结构可靠性、施工成本和施工技术的角度出发优化方案。比如，如果工程现场的承载力比较好，可以采用浅基础，而工程现场地基承载力不足、土质较差的情况下，需进行地基加固处理，选用桩基础结构等，但无论采用的是哪种桩基础，都要注意基础结构参数的优化。

3.3 上部结构的优化

因为当前的房屋建筑多以高层建筑为主，上部结构的优化是整体结构优化的关键，优化上部结构时，应根据结构安全性和稳定性的标准保障剪力墙布设的科学性。一般情况下，在剪力墙布设的过程中，需遵循均匀性，使对称楼的平面中心、同楼层结构中心相互重合，通过这些结构的优化来提高剪力墙的抗震性。当房屋建筑的结构满足相关设计标准后，可尽量选用大开间的剪力墙形式，以通过适当增大剪力墙墙肢、控制墙肢数量的方式来减少在剪力墙建设中的混凝土使用总量。另外，剪力墙暗柱中的钢筋材料使用较多，大开间剪力墙的钢筋材料用量也会有所减少。

3.4 抗震结构的优化

抗震设计是建筑结构优化设计中不可忽视的重点，不仅可以提高建筑抵御地震等自然灾害的能力，还可以有效提高建筑的质量水平。抗震结构优化设计通常采用对称设计，当建筑结构是不对称设计时，要保证结构平面位置的质心和刚心重合，同时，还要根据情况设置多道抗震防线，使建筑结构的抗震性能得到整体提高。

3.5 排水结构协调优化

排水结构同样属于房屋建筑结构中的重点构成，房屋建筑中基本上都有给排水专用房，其中安置着各种机械设备，这种情况下，整个房屋建筑的结构负载量大大增加，因此，一般会将水泵设置在地下室内。因为排水房中的管道数量非常多，且各种管道的尺寸等也存在着明显的区别，因此，在结构优化设计中，需对楼板上的穿孔位置进行适当的调整和优化，预留孔洞的数量和尺寸都应满足结构要求。

4 房屋建筑结构设计的优化策略

4.1 结构专项设计方案的精细化分析优选

对房屋建筑结构优化设计而言，其优化设计的任务繁重，需要考虑的因素非常多，在结构优化设计中往往会制订多种优化方案，为保证最终的结构优化效果，设计人员应与现场施工人员等充分协商，对结构专项优化方案开展精细化的分析和对比，选择最佳的优化策略。比如，在基础专项设计中，要根据地基参数进行天然地基和桩基的方案对比，如果采用桩基础，要确定选择预制桩还是混凝土灌注桩。在基础结构方案的选择和优化中，应根据现场的地质地形调查结果对基础结构方案开展经济性与技术性评估[5]。

4.2 提高房屋建筑结构设计质量

房屋建筑工程的结构优化设计中，最需要关注的就是建筑结构的质量问题，结构设计方案确定时，要严格遵守国家规定的建筑规范，提高建筑结构设计人员对质量工作的重视，严格把控结构设计中的每个细节，以质量标准作为前提，继而实现最终的结构性能。随着计算机软件在建筑结构设计中的广泛应用，结构设计人员要能熟练掌握相关设计软件的操作要求和应用条件，熟悉各设计参数的分析和提取，促进建筑结构设计质量的提升。设计人员要对影响优化设计的各种因素进行综合考虑，提高设计方案的经济性和合理性，结合以往结构设计经验，对受力构件的荷载情况进行评估，对于可能出现的安全与质量问题做到预想预防，并针对性地提出解决方案。根据建筑结构实际情况确定结构的计算机模型，加强对结构分析方法的优化，进而提升建筑结构设计的合理性和准确性。此外，设计人员在建筑结构设计优化过程中，要遵守各项规章制度和法规，结合工程实际提高概念设计的重视程度，做好房屋建筑结构设计质量工作。

4.3 提高建筑结构与外观的协调性

房屋建筑结构设计优化中需要协调的因素非常多，为达到最优的优化设计效果，相关人员在设计优化的过程中，需注重结构与外观、功能的协调性。从本质来看，房屋建筑的结构设计与外观设计之间存在着紧密的联系，在很多建筑结构设计中都会面临结构与外部不协调的现象，如果在结构设计优化的过程中不能兼顾，就需要选择折中的设计方法。现阶段，随着人们对房屋建筑的结构设计提出了越来越高的要求，在结构设计优化的过程中更要注重多方面协调性因素的考虑，充分从多个角度来保障优化效果，促进房屋建筑结构优化目标的实现。