建筑结构优化设计方法探讨

2023-02-13江峰浙江华艺建筑设计有限公司浙江杭州310014

中国房地产业 2023年36期

文／江峰浙江华艺建筑设计有限公司浙江杭州 310014

孙涛浙江华艺建筑设计有限公司浙江杭州 310014

引言：

随着社会发展和人们对建筑品质要求的提高，建筑结构优化设计成为建筑设计领域中一项至关重要的工作。建筑结构优化设计旨在实现建筑结构的最佳性能，包括提高结构的安全性、经济性和可持续性，结构优化设计在实际应用中具有广泛的意义和价值。由于结构的复杂性和多样性，使优化设计面临许多挑战，首先，建筑结构设计目标多样化，涉及到多个指标的平衡。建筑结构既要满足承载力要求，还需兼顾材料成本和施工难易。其次，建筑结构设计还需考虑多种因素相互影响，如荷载、材料性能和施工工艺等。这些因素之间的复杂关系导致结构方案的复杂性和不确定性。由于传统结构设计方法存在一定的局限性，越来越多的研究和应用开始关注结构的优化设计技术。本文针对这一现状，就建筑结构选型和结构构造优选等问题作了一些探讨，为以后工程实践提供借鉴。

1.建筑结构优化设计的必要性

1.1 推动建筑技术和质量的发展

建筑结构设计是建筑设计的重要环节，其优化设计直接关系到建筑的质量、功能和效益。随着科技不断进步，建筑结构设计优化的理念和方法也在不断发展。通过综合运用新的结构体系、新的建筑材料和新的设计理念，对建筑结构进行优化设计，使建筑具有更高的使用价值和经济效益。

近年来，建筑结构设计优化已在建筑技术各个方面展现出显著的优势。例如，通过对建筑结构进行抗震优化设计，提高建筑的抗震性能，减少地震灾害影响；通过对建筑结构材料优化设计，降低建筑总重量，提高结构的自重比和承载能力；通过对建筑结构节能优化设计，可以提高建筑保温隔热性能和自然通风性能，提高建筑的能源利用效率[1]。

建筑结构优化设计除了在建筑技术方面具有显著优势外，还可以提高建筑质量和效益。例如，通过对建筑结构进行耐久性优化设计，提高建筑的使用寿命和维修周期；通过对建筑结构经济性优化设计，降低建筑建设成本和运维费用。

随着计算机技术不断发展，数值计算和计算机辅助设计已成为结构设计优化的重要工具，未来可以进一步开发更为高效和智能的优化算法，提高优化设计的效率和精度。

1.2 满足多样化的建筑审美要求

随着生活水平的不断提升，人们越来越注重精神层面的满足，建筑结构设计也需要满足多样化的结构审美需求。在结构艺术性设计上，首先需要考虑到建筑功能，如果建筑用途较为特殊或者是所在的地区较为特别，需要提前考虑建筑应具有功能需求和文化底蕴，通过对建筑结构进行美观性优化设计，增加建筑的功能性、观赏性和艺术价值。其次，需考虑使用者对建筑空间和建筑造型的审美诉求，结构设计应满足使用者需要，提升建筑使用过程中的幸福感和归属感[2]。

2.影响建筑结构选型的主要因素

2.1 建筑所处环境

对建筑结构方案选型设计过程中，在掌握基本资料后，还需从多个目标与多个层次进行创造性设计。建筑物所在位置的自然环境条件是重点考虑的因素，是基础选型、承重结构体系确定的重要依据。结构设计还需要对结构构件裸露部分进行保护、装饰加工，实现建筑结构、空间艺术形象与周边环境融为一体，将建筑物与环境之间的和谐之美体现出来。

2.2 建筑高度和功能

建筑结构选型与建筑高度和建筑功能有着密切的关系，结构是建筑物的骨架，支撑着整个建筑重量。首先，建筑功能作为设计的出发点和目标，对建筑结构选型和设计起着重要的指导作用，建筑功能的实现需要结构选型的支持。例如，对于大空间、高净空的商业建筑，需采用大跨度的结构形式，对于需要承受较大荷载的工业建筑，需要采用高强度、耐腐蚀的结构材料和结构形式。根据建筑特定功能，结构工程师选择不同的结构类型和系统，以满足功能上的要求。其次，结构选型对建筑功能的实现也产生重要影响，不同的结构类型具有不同的特点和性能，会对建筑的使用功能产生直接影响[3]。例如，大跨度的钢结构可以在没有中间柱子的情况下提供广阔空间，非常适合展览馆和剧院等需要灵活布局的场所，而混凝土结构则具有良好的耐久性和经济性，适用于办公楼、图书馆等建筑。在建筑结构选型过程中，需要充分考虑建筑功能的要求，确保结构能够满足功能的实现。

2.3 建筑材料

新型建筑材料的出现对结构体系创新发展有深远的影响，新建筑材料的出现，使原先传统的结构形式得到改变。新材料通常具有更好的结构性能，如高强度、高刚度、高韧性等，这些优质特性使得结构体系能够更好地承受外力作用，提高了结构的安全性和可靠性。轻质高强新材料的应用使结构设计具有更大的灵活性，可以实现更复杂的结构形式，满足多样化的设计需求。新材料通常具有较低的碳排放和更好的环境适应性，可以减少对环境影响，提高结构的可持续性。新材料使设计更加灵活、结构性能更优越、施工工艺更先进，并促进了建筑环境可持续性的提升。

3.建筑结构选型分析

3.1 框架结构

框架结构体系由梁、柱和楼板等组成，梁柱之间刚接构成受力体系，其特点是自重轻，整体性能好，造价低廉，柱网布置灵活，空间利用率高，便于施工等。但其抗侧移刚度较小，地震水平位移较大，节点处应力集中，易受不均匀地基沉降的影响。从框架结构抗震性能可以看出，随着高度的提高，底层柱子轴力、水平荷载产生的弯矩会显著提高，造成柱子截面尺寸和配筋过大，对空间利用率和经济效益产生不利影响[4]。根据震害调查，框架结构在地震作用下，会出现非结构构件损坏较多，因此，其使用高度受到限制，一般应用于10 层以下的建筑，在高地震烈度设防区，层数大于5 层的建筑就不宜选用钢筋混凝土框架结构。

3.2 剪力墙结构

剪力墙结构是利用现浇的钢筋混凝土墙体来承受竖向荷载和水平荷载，主要特点是整体性好、侧向刚度大、水平力作用下侧移小，建筑高度通常可达100 多米。由于剪力墙布置需要，限制建筑大空间设计，只适用于小空间建筑，如住宅、宾馆、宿舍等。剪力墙体系有短肢剪力墙结构和一般剪力墙结构，短肢剪力墙结构是指墙肢的长度为厚度的4-8 倍，墙体结合建筑平面布置，基本上不与建筑使用功能发生矛盾，墙的数量可多可少，肢长可长可短，墙肢设于建筑分隔墙平面内，隐蔽性好，在住宅工程中大量使用。

3.3 框架剪力墙结构

框架剪力墙结构是一种常用的结构形式，它结合了框架结构和剪力墙结构的特点，既能提供良好的抗震性能，又能形成较大的建筑空间。该结构体系由框架和剪力墙组成，框架承担垂直荷载为主，剪力墙承担竖向荷载和水平荷载。这种结构体系能将地震荷载有效地传递到地基，确保建筑的稳定性和安全性。相比于传统的框架结构，框架剪力墙结构能够更好地控制结构侧向变形，提高抗震性能。框架剪力墙结构还具有较好的空间利用率，由于框架的存在，建筑内部空间布置自由灵活，特别适用于需要局部大空间的高层建筑。

3.4 筒体结构

筒体结构广泛应用于高层或超高层建筑，由一个或几个密柱形筒体构成高耸空间抗侧力及承重结构体系，该结构具有整体性好、侧向刚度大、水平力作用下侧移小等优点，但也有不能提供大空间、对小高度建筑横向刚度偏大等缺点。与传统结构相比，筒体结构可建造流线型和曲面化的建筑形态，具有更好的空间感和美观性。由于筒体结构的特殊形态，具有较高的空间利用率，内部空间设计自由灵活，特别适用于设计要求灵活的建筑项目。在现代高层建筑中，这种结构类型被广泛应用，比如，美国芝加哥的约翰·汉考克大厦、西尔斯大厦、标准石油公司大厦和纽约的世界贸易中心大厦等，都是筒体结构建筑的典型代表。

4.建筑结构优化设计措施

4.1 基于建筑类型优化设计

不同功能的建筑对结构要求不同，进行结构优化设计时，根据建筑的功能进行相应的考虑和调整。住宅建筑根据户型布置，合理调整结构墙柱网格、楼板布置等，以获得最优的空间布局和使用效率，根据建筑高度选择框架结构、剪力墙结构等结构体系，并优化结构连接方式和构造细节，提高抗震性能和安全性[5]。商业建筑根据建筑功能需要一般采用框架结构、桁架梁结构形成开放的大空间，局部布置剪力墙等措施增强结构稳定性，提高抗风抗震性能。教育建筑对抗震性能要求较高，需采用减震技术，如抗震支撑、减震器等，提高结构的抗震性能和安全性。在进行不同功能建筑的结构优化设计时，需综合考虑建筑功能、使用情况、地理环境和经济性等因素，确保结构的安全性、舒适性和经济性。

4.2 基于建筑高度优化设计

有些城市重点区域，需要对建筑高度进行控制，为满足容积率最大化要求，一般建筑层高较小，结构设计需要结合层高对楼盖构件进行优化设计。采用钢混凝土组合楼盖体系就是很好的选择，该体系不仅施工方便、绿色节能，还可有效降低构件高度，满足建筑使用净高要求。有些建筑由于中庭空间造型需要，各个楼层交错布局，使用钢混组合楼盖体系，可以有效解决传统支模的问题。目前建筑工业化大力推进，逐步推广建筑结构构件在工厂完成加工后运到施工现场拼接安装，钢混组合楼盖体系是一种很好的选择，它不仅便于预制加工，提高施工效率，同时还可以减少施工过程中产生垃圾，绿色环保。

4.3 基于建筑荷载优化设计

建筑荷载优化设计是一种在建筑结构设计过程中，通过对建筑物承受的荷载进行分析和计算，以优化结构的形态和材料使用，达到最佳结构性能和经济效益的设计方法。设计主要考虑的是如何将结构的承重能力、稳定性、安全性等因素相互融合，以实现建筑物在承受各种不同荷载条件下的优化设计。首先，要根据建筑物的使用功能，分析建筑物可能承受的各种荷载，比如静荷载、动荷载、风荷载、地震荷载等，以及这些荷载在不同工况下产生的各种组合效应。其次，要根据建筑物的结构形式和特点，选用合理的结构体系和计算模型，比如有限元分析法、矩阵位移法等，对结构进行详细的受力计算分析和优化设计，提高建筑物的整体受力性能和安全性，达到优化设计的目的。优化设计还要考虑结构的经济性和耐久性，采用合理的材料和构造措施，比如采用新型高强轻质材料、钢结构、预应力技术等，以提高建筑的承重能力和使用寿命。

4.4 建筑结构与外观协调优化设计

结构设计与建筑外观的协调性是指在建筑设计过程中，结构设计与建筑外观之间的相互关系和协调。结构体系和建筑外观是建筑设计的两个重要方面，设计过程中需要结构工程师与建筑师之间密切配合，以实现建筑整体空间和外观的一致性。结构设计中要考虑结构形式与建筑外观的契合，两者之间应存在相互呼应关系，如建筑外观呈现流线型或曲面化的形式，那么结构设计应该采用适合的曲线或弯曲的结构形式，形成一种统一的整体形象。结构材料与外观装饰材料也要搭配，如果外立面采用玻璃幕墙，那么结构设计应选择能有效支撑玻璃幕墙的结构形式，以保证外观装饰的安全性和稳定性。建筑结构构件的形象表达要考虑与建筑外观协调，结构设计通过合理的构造处理，使结构成为建筑外观一部分，而不是隐藏在建筑外装饰内，可以通过悬挑结构、拱形结构等方式突出结构的美观性和特点。结构设计和建筑功能之间也需要协调，如果建筑需要大空间，那么结构设计应该考虑跨度较大的结构形式，以满足大空间功能需求。通过以上协调性考虑，可以使建筑结构设计与建筑外观之间形成一种和谐统一的整体。

4.5 参与建筑方案优化设计

建筑方案设计是建筑设计的重要阶段，结构工程师在建筑方案设计阶段应积极参与其中。结合结构设计需要，对建筑平面布置、建筑立面造型、柱网尺寸、合理安排设备管井等方面给出结构工程师的建议。在建筑方案设计阶段结构工程师应着重控制几个方面：根据地质资料，合理安排地下室范围和功能布置，如开挖较深的部分尽量安排在地质条件差的地方；根据场地地形条件，配合建筑师调整各栋建筑的室内外高差；建筑平面尽量方正，横平竖直，减少凹凸、转角和开洞，控制每个结构单元长宽比，避免平面不规则，规则的建筑平面可以减少竖向抗侧力构件的数量；建筑层高宜相近，层高相差大不利于控制相邻楼层侧向刚度比和受剪承载力之比，否则需增加抗侧构件高度、提高竖向构件的抗剪承载力等措施才能满足要求；建筑的外立面造型是建筑美的重要表现形式，尽量避免采用混凝土结构来实现建筑立面线条、构架等造型，建筑美的塑造可以通过立面材料的选择、建筑配色等手段来实现，轻巧优美且经济合理；设备管井及建筑竖向交通梯是建筑不可缺少的部分，竖向交通体及设备管井尽量布置在同一区域，既节约建筑空间，又有利于结构布置[6]。

4.6 结构布置优化设计

结构体系应结合建筑功能和建筑高度合理选型，根据建筑使用功能合理布置柱网和抗侧力构件。当结构单元超长时，除考虑常规荷载外，还必须考虑温度应力对结构的影响，通过合理设置变形缝控制每个结构单元总长度，减少温度应力作用。建筑要控制平面长宽比，长宽比过大容易产生端部位移过大。建筑还要控制高宽比，高宽比会直接影响建筑整体抗倾覆能力，高宽比增大，在水平荷载作用下倾覆力矩和结构侧向位移会快速增大，过大的高宽比对整体倾覆和顶点位移不利。设计要避免结构竖向不规则，结构刚度和承载力从下到上要连续均匀分布，竖向体型宜规则均匀，避免过大的外挑和内收，尽量避免竖向体型突变形成薄弱部位。结构平面要规则，尽量避免形成大尺寸的凹凸和开洞，建筑平面突变部位都是结构受力的薄弱点，需增加结构加强措施。

结构设计要根据建筑功能和建筑平面选择合理的竖向构件布置。柱网布置直接影响楼屋盖设计的合理性和经济性，柱网过大则主梁和柱截面尺寸会增大，柱网过小虽可以减小梁柱截面尺寸，但会影响建筑使用功能。建筑层高应根据功能要求合理选择，结合建筑功能需要结合柱网、梁高、设备管线高度、吊顶高度、楼地面做法等因素综合考虑。

4.7 优化水电管网

水电管网是房屋之中一项不可或缺的组成成分。很多时候房屋的建设也需要考虑到水电管网的布局以及具体的使用。随着当下房屋建筑的规模越来越大，对于设计精度的要求越来越高，水电管网的布局优化也是一项非常重要的问题，因而在房屋设计的过程之中，需要考虑到水电管网的布局优化问题。针对于水电管网提前设计好一套相应的方案，尽可能减少水电管网对于建筑整体设计以及建筑内部外部艺术审美的影响。

4.8 结构抗震优化设计

结构抗震优化设计是通过优化结构类型、材料、连接方式等，以提高结构抗震性能的设计方法。优化设计的目标是在满足建筑功能和经济性的前提下，最大限度地提高结构的抗震能力，以确保建筑在地震发生时有足够的安全性和稳定性。抗震优化设计通常需要考虑合理的结构类型选择，设计应根据设防烈度、建筑类别、建筑高度、地基土类别选择适合的结构类型，并进行结构优化设计。抗震优化设计要考虑结构材料的选择，结构材料对抗震性能具有重要影响，常见的结构材料包括混凝土、钢材、复合材料等，根据抗震设计要求，选择适当的材料，并进行材料的性能测试和评估，以确定材料抗震性能和使用限制。结构连接方式对结构抗震性能有重要影响，连接方式是否合理直接影响建筑安全，合理的连接方式可提高结构延性，有效传递地震力，设计应根据结构特点，选择合适的连接方式，并进行优化设计。结构局部细节处理是抗震优化设计的重要部分，局部细节优化处理能大大提高结构抗震性能，通过合理的构造设计和局部加强措施，如增加剪力墙端柱的截面尺寸、加固连接节点等是抗震优化设计的主要内容。