房屋建筑结构设计中优化技术应用探讨

2023-01-07张晓华

建材与装饰 2022年12期

张晓华

（北京维拓时代建筑设计股份有限公司太原分公司，山西太原 030006）

0 引言

在通常情况下，高水平的房屋建筑结构概念设计师在进行概念优化设计时，会根据自身具备的建筑专业理论知识及丰富经验，有效整合房屋建筑结构的整体概念设计，并在全面分析房屋建筑内外部环境特点的基础上，优化完善房屋建筑结构。近年来，人们对房屋建筑结构设计提出了更高的要求。为适应时代潮流，房屋建筑结构设计师应打破传统思想禁锢，充分展现房屋建筑结构的美观性、实用性及经济性。

1 房屋建筑结构设计概述

1.1 房屋建筑结构设计的基本含义

在进行房屋建筑设计过程中，房屋建筑结构概念设计发挥着不容忽视的重要作用。房屋结构的概念设计主要是指设计师根据自身的专业知识和已有经验，结合客户对建筑的相关要求进行建筑的结构设计。在建筑结构设计过程中，设计师必须综合考量多方面因素，确保设计方案与整体房屋建筑结构有效结合，促使房屋建筑结构充分展现其实用性和美观性价值。目前，房屋建筑结构概念设计需要完成以下目标：①必须满足对居住功能多样化的要求。②必须确保建筑造型的美观、实用。③积极应用先进的建筑技术。在通常情况下，与建筑相关的设计主要可分为结构设计和概念设计两大类；在房屋建筑修建过程中，二者应该相互结合，紧密相连。

1.2 进行房屋建筑结构设计优化的重要性

随着我国建筑业的高速发展，建筑能耗越来越高，建筑行业的发展必须走可持续发展的道路，而这也对房屋建筑结构设计师提出了更高的要求。设计师必须开拓自身眼界，用更宽泛的眼光完成结构优化设计。在完成房屋建筑结构设计后，设计师还要综合考量多方面需求，对结构设计内容进行进一步的修改与完善，从而减少投入成本，同时为后续设计提供便利。此外，我国房屋建筑规模不断增加，现阶段的房屋建筑结构设计应建立在缩减建筑工程造价，凸显房屋建筑后期使用功能的基础上。基于此，进行房屋建筑结构设计的优化，促使房屋建筑结构科学化、合理化的发展也势在必行[1]。

1.3 房屋建筑结构设计优化的要点内容

房屋建筑结构设计的优化在一定程度上是指设计理念的完善与创新。在完善理念的同时，设计师还应合理选用设计方法，确保设计方案的科学合理，以实现结构设计效果的最优化。房屋建筑结构主要是由地基基础、主体结构、屋面结构等共同组成的，为全面实现房屋结构的优化，设计师在进行结构设计时，也应着眼于细节，充分考量房屋位置、工程造价结构受力及结构选型等影响因素，在保障经济效益的同时，合理选择最优化的设计方法[2]。

简而言之，设计师在设计过程中需要关注以下要点内容：①充分掌握房屋建筑平面的平整度和结构的对称情况，尽量缩小结构刚度布置与建筑整体质量分布之间的冲突，提升建筑结构的抗扭曲能力，避免扭曲变形过大的发生。②为防止外来压力的集中，有效降低建设成本，设计师尽量避免转换结构的设置；再次，在进行房屋建筑承重结构设计时，应选择竖直贯通样式，以充分利用竖向构件承载力。③在进行房屋建筑竖直方向的刚性设计时，必须充分保障其层次性，尽量避免因刚性结构突变而出现应力集中的问题，从而降低房屋的整体受力性能。

2 房屋建筑结构设计优化的具体措施

2.1 建筑结构设计方案的优化

在进行房屋建筑结构设计过程中，设计方案的选定至关重要。而在进行方案设计时，房屋建筑结构设计师必须综合考量建筑设计中的多种影响因素，在全面整合内外部因素的同时，对房屋建筑设计中的多种约束条件进行透彻分析，并在此基础上选择最符合房屋建筑设计安全要求、最节省成本的设计方案。设计方案的选择应充分应用复合形法、拉格朗日乘数法及POWELL等方法。此外，设计人员还应详细考量建筑结构设计的外部影响因素，将人力、物力、财力等客观因素可能带来的不良影响降到最低，合理控制建筑结构设计优化中可能出现的安全隐患。最后，在进行设计方案编制时，设计人员需要进一步简化内部结构。在通常情况下，房屋建筑内部结构烦琐复杂，而随着建筑承载能力的提升，计算误差很可能会超出规范要求。而计算误差很可能导致工程设计成本的增加，因此，精简内部结构设计方案也是提升整体设计方案优化程度的有效措施。

2.2 基础结构设计的优化

在对房屋建筑结构设计进行优化时，设计人员必须充分考虑房屋建筑结构对房屋建筑整体安全稳定情况造成的影响。因此，在优化房屋建筑基础结构的设计过程中，设计人员必须全方位、多角度、综合考量建筑的结构控制情况，在初步制订后期设计工序方案的同时，完成基础结构设计的优化。以桩基项目设计为例，在进行该项目设计时，设计人员必须仔细考虑考虑桩长及桩径。此外，为了进一步实现建筑基础结构设计的优化，相关人员必须对建筑设计成本进行有效控制，明确设计采用的先进科学技术，同时还要充分保障房屋建筑基础结构设计与当前行业及社会发展战略理念相契合。最后，设计师应确保房屋建筑结构设计能够满足当下用户的多样化审美需求，为后期建筑维护奠定良好基础。

2.3 房屋建筑结构设计模型的优化

建筑模型的优化是房屋建筑结构设计优化的第一步，而在优化过程中，设计人员必须遵循以下原则：首先，合理选择结构设计变量。设计人员必须充分了解房屋建筑的各项参数及系统特性，并对其展开全面透彻的分析，明确设计过程中的各类主客观影响因素。其次，设计人员应确定房屋建筑物结构设计的目标函数。参数的选取是房屋建筑结构优化的重要环节，而成本投入的减少也是进行房屋建筑结构设计优化的一大目标。设计师在进行建筑模型优化时，可寻求相关条件及影响因素，有效控制成本投入。另外，设计师在开展设计工作时，需要综合考量房屋建筑结构的安全性及稳定性因素，为设计方案的有效性和合理性提供充分保障。而在进行约束条件设计时，设计师还应全面分析裂缝宽度、结构强度等约束条件，通过综合对比约束条件和房屋建筑结构的实际情况，进一步规范设计要求，促使房屋建筑结构设计工作发挥最大价值[3]。

2.4 上部结构的优化

大量研究证明，相较于房屋建筑其他部位的结构来说，上部结构更容易被剪切力影响。一旦上部结构遭到剪切力的干扰，房屋建筑的稳定性将大幅下降。基于此，设计人员在进行房屋建筑结构优化设计时，也应提出更具针对性的设计方案，保证结构具备一定刚度，使结构受到水平外力时变形形态为弯曲变形，从而为建筑物的安全稳定提供更强有力的保障。首先，房屋建筑结构设计师应优化剪力墙结构的设计。在优化设计过程中，设计人员应重点关注建筑平面形心与结构中心的设计情况，确保二者达成一致。此外，设计人员必须对建筑空间进行科学设计，通过选用合理的计算方式来完成结构计算，确保剪力墙墙体与建筑墙体达成一致。在该阶段，设计人员应重点关注竖向构件连续性，聚焦其中的错洞和大洞口现象，避免承重墙出现安全事故。而在确定柱截面与墙长时，设计人员也应充分考量适用的建筑工艺技术，以实现建筑层高与层数的优化设计。

2.5 地下室结构的优化

作为房屋建筑的重要组成部分，地下室的结构成本往往在结构总成本中占据较大比重。因此，对地下室结构进行有效优化，也能进一步实现成本控制。在优化地下室结构的过程中，设计师应在满足建筑设计需求的基础上，通过降低地下室层高的方式来节约设计材料，达到成本控制的目的。同时，降低地下室层高也能减少设计阶段土方的开挖量，节省设计时间，降低后期的成本维护费用。此外，设计师还应充分考量设计地段环境，比如：在地下水源较充足的地段进行设计建设时，必须综合考量浮力对房屋建筑结构造成的影响，可在一定程度上降低地下室层高，减少抗拔桩数量及底板配筋使用量。

而在正式进行地下室结构设计时，设计人员还应全面考虑地下水浮力、土壤重力转化等客观因素，因为此类因素会对房屋建筑结构造成一定的影响。地下室底板及侧墙所承受的平面外的力要远远高于地上构件所承受的平面外的力，地下钢筋用量会远大于地上，因此地下构件精细化区分设计更为重要。在实际设计阶段，设计师应详细分析对房屋建筑的每一部分钢筋配置情况，完成建筑用料估算及统计。在受力较少的结构部位，可使用通长钢筋，如房屋结构部分的受力较大，则可采用局部附加等方式完成建造。

2.6 与设备管综配合设计

房屋建筑结构设计中，对结构设计优化进行应用的同时，还应与设备管线进行配合优化设计。例如，给排水系统设计是房屋建筑结构设计中的重要组成部分，其复杂程度较高，应充分考虑实际情况来开展设计。特别是穿墙管道设计中，应以便于施工为原则，提前预留管道碰撞检测的空间，并做好预埋孔洞的标记，以便于施工方在施工的时候可以提前预埋孔洞，避免返工问题的出现。对于需穿过承重墙的排水管道，应做好对周围的加固处理，保证承重墙的稳定性。于设备管综配合设计中，应考虑施工方面的问题，避免管道绕柱问题的出现[4]。随着科技的进步，BIM技术在建筑设计中得到了越来越多的应用。于设备管综配合设计中，也可以应用BIM技术，来开展碰撞检测，确保结构构件与设备管线的协调性，提高建筑整体质量。

3 进行房屋建筑结构优化设计时的注意事项

3.1 加大前期工作的投入力度

在房屋建筑工程建造过程中，设计环节发挥着不容忽视的重要作用，设计质量的好坏将直接影响房屋建筑的设计成本、功能质量和工程效益。因此，相关工作人员必须提高自身参与度，在房屋建筑结构设计前期便参与工作。此外，设计师也应将自身的设计理念与现代房屋建筑结构的设计需求有效融合，相关工作人员可根据房屋建筑设计的实际情况进一步完善设计方案并提出建设性意见。

3.2 重视先进技术在结构设计中的作用

随着房屋建筑行业的不断发展，先进技术的广泛应用和高效融合已是大势所趋。而在现代化的房屋建筑结构设计过程中，设计师可根据客户需求和设计目标的差异性，将计算机等先进技术有效应用于整个设计周期，进一步提升设计工作的质量和整体效率，减少人工成本投入。此外，计算机等先进技术的应用，还能进一步优化建筑结构信息管理，明确各项工程数据，帮助相关工作人员快速且熟练地掌握各项工程项目参数。

3.3 优化建筑结构构件细部设计

在优化房屋建筑整体结构设计的同时，其内部建筑结构设计的优化也不容忽视。将内部建筑结构设计有效融入设计各环节，不仅能保证工程设计符合相应的规范标准，而且能进一步展现房屋建筑工程价值及使用性能。以现浇板设计为例，设计人员必须对现浇板的受力情况进行综合分析，并在此基础上进行优化设计。只有这样，才能有效避免后续设计中出现的拐角裂缝的现象。

3.4 充分利用信息技术优化设计

如今，随着计算机技术的飞速发展，越来越有益于人们的生活。使用计算机技术进行房屋的结构设计，可以取得非常显著的效果。例如，通过计算机的精确计算，可以充分整合相关数据信息，减少因数据缺陷造成的不必要损失。另外，在房屋建筑设计时，要充分发挥建筑师的能动性，如果仅仅依靠计算机技术来优化结构，是有局限性的。例如，在制定建筑设计方案之初，就应对相关设计进行评估。计算机只能对数据进行综合统计分类，不能充分考虑建筑艺术的独特设计。此外，当出现特殊情况时，计算机无法做出判断并制定适当的解决方案。因此，只有保证建筑设计者的主观能动性能够得到充分发挥，建筑设计才能做到合理性。例如，在优化建筑设计之前，需要整合计算机统计技术的各个方面，然后结合环境的优势，设计出满足人们高要求的建筑，确保建设项目的长远发展。