李文瑞

摘 要：建筑結(jié)構(gòu)的造價(jià)在建筑工程中占有較大的比例，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用可以產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益。建筑設(shè)計(jì)部門(mén)和設(shè)計(jì)人員應(yīng)嚴(yán)格遵守“經(jīng)濟(jì)、適用、合理”的設(shè)計(jì)原則，精心設(shè)計(jì)，應(yīng)用現(xiàn)代化科技手段，選擇合理的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)降低建筑工程造價(jià)并取得最大經(jīng)濟(jì)效益的目的。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；建筑結(jié)構(gòu)；優(yōu)化技術(shù)

Abstract： The cost of building structures in construction accounts for a large proportion， structural design optimization technology can generate considerable economic benefits. Architectural design department and design staff should strictly abide by "economic， applicable and reasonable" design principle， well-designed， the application of modern scientific and technological means， choose a reasonable structural design， to achieve lower construction cost and achieve maximum economic efficiency.

Keywords： structural design； building structure； optimization techniques

近年來(lái)，不斷上漲的土地價(jià)格給開(kāi)發(fā)商的建筑總成本控制帶來(lái)了極大的壓力，同時(shí)，人們對(duì)于居住條件及生活環(huán)境的要求不斷提高，相應(yīng)建筑產(chǎn)品的品質(zhì)要求也就不斷提高，這就讓開(kāi)發(fā)商不斷尋求新的手段滿足顧客需求，而降低工程造價(jià)就成為開(kāi)發(fā)商追求的直接目標(biāo)，這就需要我們利用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)方法，提高有限空間、有限資源的最大化效果發(fā)揮，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)化、實(shí)用性和適用性的良好目標(biāo)。

1.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的應(yīng)用及實(shí)踐價(jià)值

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的應(yīng)用

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法和技術(shù)的應(yīng)用具體體現(xiàn)在房屋工程結(jié)構(gòu)總體的優(yōu)化設(shè)計(jì)和房屋工程分部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)兩方面。其中房屋工程分部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)包括：基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)、屋蓋系統(tǒng)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)細(xì)部設(shè)計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)以上幾個(gè)方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)還包含選型、布置、受力分析、造價(jià)分析等內(nèi)容，并應(yīng)在滿足設(shè)計(jì)規(guī)范和使用要求的前提下，結(jié)合具體工程的實(shí)際情況，圍繞其綜合經(jīng)濟(jì)效益的目標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的實(shí)踐價(jià)值

（1）結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)降低總造價(jià)

進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，多層住宅和高層住宅相比較，層數(shù)越多，總建筑面積增大，單位建筑面積占用的土地面積就越小，節(jié)約了用地成本，但建筑層數(shù)的增多，建筑總高度也會(huì)加大，樓與樓之間的間距也要加大，這時(shí)占用的土地節(jié)約量就不與建筑層數(shù)增加比例相同了。另如屋蓋部分，一棟樓只有一個(gè)屋蓋，并不會(huì)因?yàn)閷訑?shù)的增加而有所改變，它的成本下降會(huì)比較明顯。對(duì)于基礎(chǔ)部分而言，雖然也是各層共用的，但是層數(shù)增加，傳給基礎(chǔ)的荷載將會(huì)增大，我們需要增大基礎(chǔ)，這樣單位面積的造價(jià)有所降低，但是卻沒(méi)有屋蓋的效果那樣明顯。

（2）進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提高建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性

建筑的層高增加，由于墻體面積和柱體積增加，結(jié)構(gòu)的自重會(huì)增加，基礎(chǔ)和柱的承載力相應(yīng)增加，水衛(wèi)和電氣的管線會(huì)加長(zhǎng)；相反降低層高，可節(jié)省材料，有利用抗震，同時(shí)建筑的總高度減小，兩建筑之間的日照距離就會(huì)減小，間接的節(jié)約了用地。建筑面積相同，建筑使用不同的平面形狀時(shí)，它的外墻周長(zhǎng)也就會(huì)不同，這樣當(dāng)選擇圓形或是越接近于方形時(shí)，外墻周長(zhǎng)系數(shù)就越小，基礎(chǔ)、外墻砌體、內(nèi)外表面裝修都隨之減少，同時(shí)其受力性能也得到提高，增強(qiáng)了建筑的經(jīng)濟(jì)性能。

與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相比，采用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法可以使建筑工程造價(jià)降低6%-34%。優(yōu)化方法的技術(shù)性實(shí)現(xiàn)，可以最合理的利用材料性能，使建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部各單元得到最好的協(xié)調(diào)，不僅可以實(shí)現(xiàn)建筑美觀、實(shí)用，而且在造價(jià)方面也有較大的節(jié)省，達(dá)到了建筑工程設(shè)計(jì)對(duì)適用、安全、經(jīng)濟(jì)、美觀和便于施工的一般要求。通過(guò)使用優(yōu)化設(shè)計(jì)手段，達(dá)到這5個(gè)方面的最佳結(jié)合，符合現(xiàn)今建筑商對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的效益的需求，也符合市場(chǎng)可持續(xù)發(fā)展的需求。

2.民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與經(jīng)濟(jì)性的關(guān)系

2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與用地的關(guān)系

多層或高層住宅建筑中，總建筑面積是各層建筑面積的總和，層數(shù)越多，單位建筑面積所分?jǐn)偟姆课菡嫉孛娣e就越少。但隨著建筑層數(shù)的增加，房屋的總高度也增加，房屋之間的間距也必須增大。因此，用地的節(jié)約量并不隨建筑層數(shù)的增加而按同一比例遞增。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與造價(jià)的關(guān)系

建筑層數(shù)對(duì)單位建筑面積造價(jià)有直接影響，但影響程度對(duì)各分部結(jié)構(gòu)卻是不同的。屋蓋部分，不管層數(shù)多少，都共用一個(gè)屋蓋，并不因?qū)訑?shù)增加而使屋蓋的投資增加。因此，屋蓋部分的單位面積造價(jià)隨層數(shù)增加而明顯下降?；A(chǔ)部分，各層共用基礎(chǔ)，隨著層數(shù)增加，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的荷載加大，必須加大基礎(chǔ)的承載力，雖然基礎(chǔ)部分的單位面積造價(jià)隨層數(shù)增加而有所降低，但不如屋蓋那樣顯著。承重結(jié)構(gòu)，如墻、柱、梁等，隨層數(shù)增加而要增強(qiáng)承載能力和抗震能力，這些分部結(jié)構(gòu)的單位建筑造價(jià)將有所提高。

2.3高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與經(jīng)濟(jì)性的關(guān)系

住宅的層高直接影響住宅的造價(jià)，因?yàn)閷痈咴黾?，墻體面積和柱體積增加，并增加結(jié)構(gòu)的自重，會(huì)增加基礎(chǔ)和柱的承載力，并使水衛(wèi)和電氣的管線加長(zhǎng)。降低層高，可節(jié)省材料、節(jié)約能源，有利于抗震，節(jié)省造價(jià)。同時(shí)，除降低層高可以減少住宅建筑總高度，縮小建筑之間的日照距離，所以降低層高能也取得節(jié)約用地的效果。

在相同建筑面積時(shí)，住宅建筑平面形狀不同，住宅的外墻周長(zhǎng)系數(shù)也不相同。顯然平面形狀越接近方形或圓形，外墻周長(zhǎng)系數(shù)越小，外墻砌體、基礎(chǔ)、內(nèi)外表面裝修等也隨之減少，并且受力性能好，造價(jià)會(huì)降低?？紤]到住宅的使用功能和方便性，通常單體住宅建筑的平面形狀多為矩形。

3.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1 直覺(jué)優(yōu)化（概念設(shè)計(jì)優(yōu)化）技術(shù)與建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于同一建筑方案，可以有許多不同的結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)；確定了結(jié)構(gòu)布置的建筑物，即使在同種荷載情況下也存在不同的分析方法；分析過(guò)程中設(shè)計(jì)參數(shù)、材料、荷載的取值也不是惟一的：建筑物細(xì)部的處理更是不盡相同，這些問(wèn)題是計(jì)算機(jī)無(wú)法完全解決的，都需要設(shè)計(jì)人員自己作出判斷。而判斷只能在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般規(guī)律指導(dǎo)下，根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，這便是前面所說(shuō)的概念設(shè)計(jì)。因此，概念設(shè)計(jì)存在于設(shè)計(jì)師對(duì)多種備選方案進(jìn)行選擇的過(guò)程中。

3.2 概念設(shè)計(jì)處理的實(shí)際建筑設(shè)計(jì)問(wèn)題

概念設(shè)計(jì)所要處理的問(wèn)題多種多樣。但可以肯定的是希望通過(guò)概念設(shè)計(jì)，建筑結(jié)構(gòu)能在各種不期而遇的外部作用下不受破壞，或?qū)⑵茐某潭冉抵磷畹?。因此，分析如何?yīng)付建筑物可能遭遇的各種不確定因素成為概念設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。其中，地震作用最為難以琢磨，破壞性也最大。故而，建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中就應(yīng)該未雨綢繆，從計(jì)算及構(gòu)造等各個(gè)方面都要采取一些有助于提高抗震能力的措施，不利于抗震的作法則應(yīng)盡量避免。剛度均勻、對(duì)稱是減小地震在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生不利影響的重要手段；延性設(shè)計(jì)則能有效地防止結(jié)構(gòu)在地震作用下發(fā)生脆性破壞；多道設(shè)防思想能使建筑在特大地震作用下次要的構(gòu)件先破壞，消耗一部分地震能量。這些抗震設(shè)防思想在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中都應(yīng)該作為概念設(shè)計(jì)的重要指導(dǎo)思想。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用于項(xiàng)目的整體設(shè)計(jì)、前期設(shè)計(jì)，舊房改造，抗震設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)的各分部環(huán)節(jié)，發(fā)揮著巨大的效益。在按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法進(jìn)行實(shí)踐的過(guò)程中，要注意下面的幾個(gè)問(wèn)題：

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化應(yīng)注意前期參與

因?yàn)榍捌诜桨傅拇_定直接影響建筑的總投資，而現(xiàn)在存在的普遍問(wèn)題就是前期方案階段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并不進(jìn)行參與，建筑師進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時(shí)大多并不考慮結(jié)構(gòu)的合理性以及它的可行性，但是建筑設(shè)計(jì)的結(jié)果卻直接對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造成影響，某些方案可能會(huì)增加結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度，并使得建筑的總投資提高。如果在方案的初期，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)就能參與進(jìn)來(lái)，那么我們就能針對(duì)不同的建筑類(lèi)別，選擇合理的結(jié)構(gòu)形式，合理的設(shè)計(jì)方案，獲得一個(gè)良好的開(kāi)端。

（2）概念設(shè)計(jì)結(jié)合細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

概念設(shè)計(jì)應(yīng)用于沒(méi)有具體數(shù)值量化的情況，例如地震設(shè)防烈度，因?yàn)樗牟淮_定性，計(jì)算式難免與現(xiàn)實(shí)有較大的差異，在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候就要采用概念設(shè)計(jì)的方法，把數(shù)值作為輔助和參考的依據(jù)。設(shè)計(jì)過(guò)程中需要設(shè)計(jì)人員靈活的運(yùn)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法，達(dá)到最佳的效果。

與宏觀把握相對(duì)應(yīng)的，設(shè)計(jì)的過(guò)程同時(shí)要注意對(duì)于細(xì)部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，比如現(xiàn)澆板中的異形板拐角處易出現(xiàn)裂縫，可劃分為矩形板。注意鋼筋的選擇，I級(jí)鋼和冷軋帶肋鋼市場(chǎng)價(jià)格差不多，但是他們的極限抗拉力卻相差很大，所以在塑性滿足要求的情況下，現(xiàn)澆板的受力鋼筋就可選擇冷軋帶肋鋼筋。在做里面設(shè)計(jì)的時(shí)候，外立面上的懸挑板及配筋，滿足基本的規(guī)范要求即可，達(dá)到既安全又經(jīng)濟(jì)的目的。

（3）下部地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

地基基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化首先要選擇合適的方案，如果為樁基礎(chǔ)，那么要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件選擇樁基類(lèi)型，盡量節(jié)省造價(jià)。樁端持力層對(duì)灌注樁樁長(zhǎng)的選擇影響很大，應(yīng)多進(jìn)行比較以確定最合適的方案。

4.結(jié)語(yǔ)

建筑是凝固的藝術(shù)，建筑師總是希望通過(guò)建筑物表達(dá)自己的設(shè)計(jì)意圖，力求藝術(shù)性和實(shí)用性的完美結(jié)合。結(jié)構(gòu)師在保證安全性的前提下，當(dāng)然應(yīng)該敢于挑戰(zhàn)新的結(jié)構(gòu)形式，使建筑師的意圖得以實(shí)現(xiàn)。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，在基本滿足建筑師設(shè)計(jì)意圖的基礎(chǔ)上，平面布置應(yīng)盡量規(guī)則，對(duì)稱，盡量縮小質(zhì)量中心和剛度中心的差異；使建筑物在水平荷載作用下不致產(chǎn)生太大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。豎向布置上，在滿足功能要求的前提下，盡量使豎向承重構(gòu)件上下貫通；能不使用轉(zhuǎn)換層的就應(yīng)避免使用，以減小結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)上的困難，另外也不經(jīng)濟(jì)，還容易造成應(yīng)力集中；豎向剛度最好不要突變，而要漸變，否則突變處在水平荷載作用下會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，這對(duì)結(jié)構(gòu)抵抗水平動(dòng)力荷載是十分不利的。

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