结构设计优化在建筑设计中的应用研究

2023-09-27刘华昌

建材与装饰 2023年29期

刘华昌

（广州市花都建筑设计院有限公司，广东广州 510800）

0 引言

优化工程结构设计是提高施工质量的关键手段，此技术可以最大程度保证施工过程的稳定与可靠。在结构设计优化上，设计者必须从概念上理解其内涵及运用意义，结合其现实特征及功能性需求制订出一套合理的设计方案，将其设计过程的错误减至最少，确保其顺利实施，为中国的建设事业作出更大的贡献

1 工程概况

某装配式工程项目被划分成A、B 两个地区。A 单元共设8 栋25 层楼房，均为28.6m×17.8m 的框架－剪力墙结构，经BIM 技术仿真后（图1），通过实例采用计算机对相关参数进行了估计得到了结构关键参数、施工类型、地震相关加速度、设防烈度等参数的输入。采用BIM 技术对相关的技术指标进行了分析框架剪切安全因子1.1、地震作用倾斜度10°、无规偏心率85°。

图1 BIM 项目模拟

在建筑装配式建筑的规划中要重视方案的科学性和可行性，在保证建筑安全可靠和功能完善的前提下尽可能地降低能耗，以专业化、精确的方式进行规划，从而达到整体的效果。在建筑规划中，首先要从建筑的功能要求出发，对柱网、外观、户型等进行深层次的探讨，并对其进行合理改造，以保证建筑结构高度、复杂度等在合理的范围内。在进行初期阶段还要考虑建筑材料、结构体系、关键参数等因素的影响，并通过经济比较从中选择最优方案；同时要遵循规范的钢筋混凝土配筋法，运用软件技术进行精确的计算，并根据工程的具体情况对设计模式和方案进行合理的调节，以保证整个工程的控制。在装配式建筑的设计中，技术人员需要制订相关的计划和设计，并运用BIM 技术进行相关的工作。一般在进行主体结构的时候，既要保证其整体的品质，又要考虑各种不同的作用，同时又要尽量降低成本，增加各种资源的使用，从而大大地提高了整个建筑的综合效益。在结构的优化上，从两个层面进行：①确定各种功能需求，合理安排主体，对立柱的连接和内部结构进行仔细分析。②依据工程整体的层次来进行建筑材料、结构体系等的优化和优化，从而提高工程建设的科学性和有效性。

2 结构设计优化在建筑设计中应用的现状

对装配式建筑进行更科学、更合理规划。一般而言，结构优化设计仅用于特定的设计，它的含义就是对整个结构和结构作一概括性的归纳，但可以着重于整体与次级结构之间的机械连接与扩展。结构优化设计是中国建筑的重要组成部分，其可以最大限度地实现整体布局和具体要求，从而达到最佳的效果。纵观以往的建筑结构工作发展方向，结构优化设计仅局限在某些特定要求或规定的施工项目上，结构设计在整体建筑中是最为关键的环节。结构设计优化可以让建筑更加满足具体的设计规范和要求。结构设计优化方法可以通过BIM 技术计算模型能够更精确地进行数值仿真，并对其进行详细的实例计算[1]。

在现代科技快速发展中，我国的建筑工程技术与工艺技术都有了很大的进步，为我国建筑业的可持续发展作出了巨大贡献。现代建筑中传统的设计手法已经不再适用，需要运用现代技术来提升设计的科学性，运用最新的思想来提升建筑的质量，从而推动建筑的智能化发展。高质量的结构设计可以确保构件在施工中发挥作用，确保构件与构件的相互协调，以满足建筑设计以及施工具体的要求，避免构件和构件之间出现问题，从而降低工程的设计质量。结构设计优化后大大提升了建筑的工作效率，确保了建筑工程质量。

3 在建筑设计中应用结构设计优化的方案

（1）确定建筑物的刚度，以保证其合理性；结构的刚性是影响结构安全性能的关键因素之一。合理的结构刚性能够显著提高结构的抗震能力同时提高结构的自振频率。增加刚性可以减少材料的损耗，增加建筑的使用效率，从而达到最佳的结构效果。

（2）要构建起一种合理的社会治理体系。建筑的结构优化设计要遵循科学的、对称的原则，以降低建筑的材料损耗、降低其抗扭强度、确保其安全性与稳定性。对称是结构的完整性和一致性的一个主要特点，结构重心要进行合理的调节，以确保结构的对称性，并最终决定结构的重心。

（3）依据现场的具体条件来决定地基的构造。在进行工程场地勘察与分析时，根据场地地形及建筑物的具体形态选择最适宜的建筑物基础。一般来讲，房屋地基可以分成两种类型：“桩基础”和“箱基础”，其应用面较为广泛，但桩基是指在承载量不大或是强度不高的情况下，通过这种方式将承载量传递到地基上，然后将其上的载荷传递给基体，使得房屋的稳定得到保障；相对于桩基础而言，箱形基础具有较好的整体刚性，不但能够使荷载分布更加均衡，从而增强了结构的安全、稳定，并能够有效地避免因不均应力而导致的基础沉降，从而增强了建筑物的抗震性能。

（4）对图纸进行规范化规划。在施工过程中，图纸是最主要的依据和依据，高质量的图纸能有效地提高施工效率。强化设计标准是确保工程图的质量。在进行图纸的编制时应尽可能规范化，例如按统一的标准进行测量，采用统一的标识方法；同时相关部门应强化对设计方案的审核与优化，及时全面地检查设计方案，对不明确之处进行修改，确保设计的精确性和明确性。在项目的策划和设计过程中，为了降低结构的沉陷，防止工程的质量和安全问题。在裙楼周边设置沉陷裂缝，在建筑外墙的外侧增加了1.3m 宽的加固板（图2），保证了建筑的最大宽度在5.5m 以上。为了达到安装和预制的需要，预制件可选择一部分的地面或室外的露台[2]。

图2 加固板

4 在建筑物结构工程中进行优化设计的注意事项

近几年，由于建筑行业的快速发展，在科技、经济、观念、技术等多方面的支持下，建筑行业逐步步入了一个崭新的时代。

4.1 严格遵循建筑物的构造原理

在规划阶段，首先进行结构优化设计，优化设计流程如图3 所示，逐步确定功能、用途等以确保建筑的质量。此外在建筑的规划中要注意充分利用不同的概念，确保其设计的有效性。总体而言，虽然概念化可以满足特定项目的特定要求，但是在实际项目中却难以严格遵循特定的技术要求。因此工程造价低、施工效率低、设计效率低、施工效率低、施工进度等受到很大限制，若因为各种因素导致竣工结算无法如期完成，对施工企业的经营上也会有影响。在此基础上通过借鉴前人的设计实践，对整个建筑物的总体布局进行合理设计、合理调节和实施，从而达到更好的效果。在建筑的设计中，建筑的安全、工期和造价都会受到很大的冲击。若能科学地运用结构优化设计，不但能改善工程的科学性、合理性、可靠性、安全性，还能降低工程造价中的一些错误，从而取得较好的整体效果。基础的结构状态直接关系到住宅的稳定性，因而需要保证其特殊性和准确性。在进行结构优化设计时要对当地的地形、自然情况有一个全面的了解，通过大量搜集有关数据才能更好进行结构设计，进而促进整个项目的发展。在施工中箱型基础、桩基础是最常见的基础形式，其应用效果显著，应充分考虑各种因素选择合适的基础。在选取基础时应注重基础承载能力及沉陷，而在高层建筑中应选用桩基础避免大的位移，从而达到良好的调节作用[3]。

图3 优化设计流程

4.2 强调建筑构造的重点

在具体应用优化设计时，设计师必须对其进行充分了解与研究，从而使其更好地融入设计当中。在结构抗震方面，理念的设计就像是源头。无论是墙、柱、梁还是加固部位都必须对其进行结构优化设计，以确保其在地震作用下的安全性。在运用结构优化设计时，不仅要增强其设计的科学性，而且要加强其工作的实务操作，以最大限度地优化其设计的功能，以增强其创意。在“创新发展”理念的指导下，对各种功能进行科学、综合的分析，并据此进行结构设计，既可以改善功能，又可以改善其安全性和提升经济效益[4]。文中所述项目属于大基础、高复杂的高层建筑，为确保大型商用部位的大面积，采取了一种框式剪力墙结构，其立柱间距8.4m×8.4m，在楼梯通道的四边角和升降机井上设置了框柱和剪力墙，图4 为一层柱状网络的布局，而图5 为十二层柱状网格的布局。在此阶段采用YJK 级及ETABS 软件对其进行分析、校核，以保证柱-网轴的合理排列，以达到对结构件的初步估计。从结构设计优化出发应着重考虑基础剪力、倾覆力矩、楼层剪力和倾覆力矩的分布，以便保证大楼在地震后仍保持良好的力学特性，达到国家相关法规的抗震标准。

图4 一层柱网分布

图5 十二层柱网布置

4.3 施工组织抗震设计

（1）选择合理的建设场地。在选定场地时应保证其良好的地震作用，即便是同一栋大楼，因其建筑物的种类而存在较大差异，从而对整体的结构造成较大的冲击。在工程建设中应充分考虑到基础的震害，并参照工程设计与经济原理合理选择结构和基础设计。通过使用该技术使结构的弹性和抗震性能大大改善。

（2）要对建材进行正确选用，以增加建材的使用量。水泥砂浆作为建筑结构的主体，选用适当的结构应满足特定的规范，选用高强度的模板，一般需要C25 比例以上的混凝土。另外采用HRB400 等高强度的钢筋作为构件，结合工程实际选择更为适宜的新材料，在建筑工程中常用的是钢筋混凝土，既能充分利用二者的优势，又能增加房屋的安全与稳定。具体的水泥强度要根据工地的具体条件和需求来决定。在施工中混凝土是以水泥灰浆为主，所以要确保其高强度、高品质，以确保其刚度与耐久性。相关部门应提前对施工区地面震动强度进行评定，为工程建设提供依据。若在野外进行试验达到较高水平时，则可适量其增加强度，设计师要明确两者的联系，并参照实际放样加以修正。通过BIM 技术让结构设计优化工作得到进一步落实，以BIM 为基础对地震后及地震后的情景进行仿真与设计，使其具有较高的可靠性和科学性，并对其进行了优化和优化，以取得最佳的结果[5]。