姚紅梅

(西南交通大學(xué)希望學(xué)院, 四川南充 637900)

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房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用探討

姚紅梅

(西南交通大學(xué)希望學(xué)院, 四川南充 637900)

【摘要】隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們的生活質(zhì)量普遍提高，對房屋的功能也有了更高的要求，除了對房屋建筑一般的實用價值和安全性能考慮以外，對建筑美觀和經(jīng)濟(jì)適用等選擇標(biāo)準(zhǔn)也有所提高。因此建筑設(shè)計師需要結(jié)合建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計和外型條件，將建筑設(shè)計的安全適用、審美作用、經(jīng)濟(jì)價值和簡化施工等因素充分融合到房屋建筑設(shè)計中，不斷優(yōu)化改善設(shè)計方案，以滿足人們對房屋建筑的總體要求。文章主要對房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行分析探討，研究適用性強的建筑優(yōu)化設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】房屋建筑；優(yōu)化技術(shù)；建筑設(shè)計；設(shè)計應(yīng)用

1建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法

房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計一般包含屋基結(jié)構(gòu)優(yōu)化、護(hù)欄結(jié)構(gòu)優(yōu)化、房頂結(jié)構(gòu)優(yōu)化和細(xì)致結(jié)構(gòu)優(yōu)化等設(shè)計工作。對房屋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計需要結(jié)合實際條件，再整體分析考慮，以達(dá)到設(shè)計的功能需求。然后通過合理設(shè)置建筑的平面布局，來縮小建筑中心和剛度之間的差距，將承載的力度均勻分配。另外，房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)也有效的提高了土地資源的利用率，給建筑行業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，同時也能充分滿足住房用戶的生活需求和安全保障，所以建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)對房屋建筑意義重大。

1.1優(yōu)化房建結(jié)構(gòu)模型

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的基礎(chǔ)是數(shù)學(xué)模型，所以在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，需要結(jié)合實際條件來構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，并運用科學(xué)合理的優(yōu)化方法來調(diào)整建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，以達(dá)到最佳效果。結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化模型一般先進(jìn)行設(shè)計變量的合理選擇，保留牽動因素比較小的預(yù)定變量，再以控制建筑成本為目標(biāo)構(gòu)建由建筑尺寸與相關(guān)數(shù)據(jù)所表示的目標(biāo)函數(shù)，最后結(jié)合房屋尺寸、結(jié)構(gòu)強度、變形要求和預(yù)應(yīng)力等因素，全面考慮建筑結(jié)構(gòu)的限制條件，以達(dá)到房屋構(gòu)造最優(yōu)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

1.2優(yōu)化房建結(jié)構(gòu)設(shè)計的數(shù)學(xué)計算

優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計屬于非線性的數(shù)學(xué)問題，其中包括很多限制因素和相關(guān)變量。實際結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計通常采用拉氏乘子法和符合型法等方法，把限制條件換成無限制條件來簡化計算過程，再輸入相應(yīng)的運算程序就可以得到建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的最優(yōu)方案。

1.3優(yōu)化概念設(shè)計

優(yōu)化過程不能一味的依靠計算機(jī)設(shè)計軟件，還應(yīng)結(jié)合計算機(jī)設(shè)計與人工設(shè)計，充分發(fā)揮概念設(shè)計在優(yōu)化技術(shù)中的關(guān)鍵作用。例如，在進(jìn)行建筑材料優(yōu)化選擇時，適合采用人工方法分析各類材料的性能；在進(jìn)行技術(shù)參數(shù)設(shè)定時，適合采用計算機(jī)方法對設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行優(yōu)化。雖然在設(shè)計過程中計算機(jī)能夠有效解決人工難以完成的龐大計算問題，但是它并不能設(shè)計出非常切合實際需求的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。因此在建筑工程的實際設(shè)計中，應(yīng)該根據(jù)實際情況靈活的運用概念設(shè)計優(yōu)化技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)，對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的分析和改進(jìn)，這樣實現(xiàn)建筑工程整體的最優(yōu)化。

1.4價值工程優(yōu)化設(shè)計

價值工程，即以最少的周期成本有效的實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的必要功能。其核心是通過對建筑進(jìn)行功能分析，及時的排除不切實際的功能需求和過剩功能，以達(dá)到降低成本，提高效益的目的。建筑產(chǎn)品的價值是由它的成本和功能共同決定的，對于建筑產(chǎn)品來說，不同的價值方法帶來的價值表現(xiàn)也會有所差異。有些方法是保持建筑成本不變來提高房屋的功能，或是保證功能不變的情況下降低投入成本，還有些方法是小幅度的增加其成本以滿足房屋功能的大幅度提高等。這些方法在做成本分析的時候，不僅只是考慮建筑生產(chǎn)的總投資，還做到了預(yù)算建筑產(chǎn)品的使用成本和后期維護(hù)成本等全周期的成本分析。

價值工程必須依照價值原則性、功能多變性、成本的波動性、成本與功能的相互性和創(chuàng)新性等原理來實施。在工程造價控制的過程中價值工程主要考慮的是如何實現(xiàn)建筑的核心價值。通過合理的建立項目的內(nèi)部反饋和外部反饋，有效的掌握用戶的實際需求，以實現(xiàn)項目最終的價值目標(biāo)。

1.5加固過程的優(yōu)化設(shè)計

為保障建筑物建成后長期的的安全使用，就需要在建筑過程中制定合理的加固方案。加固方案在一定程度上也決定了建筑物的使用性能，一旦加固方案設(shè)計失敗，整個建筑的安全使用將會受到嚴(yán)重的威脅，基本的的使用標(biāo)準(zhǔn)也根本達(dá)不到，因此就會給建筑工程帶來不可估量的經(jīng)濟(jì)虧損。加固工程的重點工作是加固方案的制作，由于其具有多樣化的供給、單一化的需求和難以更改的設(shè)計方向等特點，一旦確定將加固方案實施到加固工程中，后期就不容易對加固方案在進(jìn)行調(diào)整，因此會導(dǎo)致大量的人力、物力和財力資源的白白浪費，所以為了保障和增強房屋建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，必須依照現(xiàn)行規(guī)定的國家標(biāo)準(zhǔn)水平來合理的選擇加固方案，以達(dá)到建筑物使用功能的要求水平。

2優(yōu)化技術(shù)的實際應(yīng)用

2.1建筑前期設(shè)計過程優(yōu)化技術(shù)的運用

建筑的前期設(shè)計在整個建筑經(jīng)濟(jì)設(shè)計中起著主導(dǎo)的作用，會直接影響建筑項目的總投資量。在房屋設(shè)計過程中，建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計實施方案的落后一直是當(dāng)前普遍存在的問題，如果在設(shè)計初期不進(jìn)行科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，后期房屋結(jié)構(gòu)的設(shè)計可能會產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的損失。所以就要求設(shè)計人員充分應(yīng)用建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，在前期設(shè)計過程中選擇可行的結(jié)構(gòu)模型，制定合理建筑設(shè)計方案，為建筑的整體設(shè)計打下良好的基礎(chǔ)。

2.2結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)化應(yīng)用

房屋建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計中，結(jié)構(gòu)材料將會直接影響建筑整體的結(jié)構(gòu)性能，表1對各種材料的性能指標(biāo)做出了對比。

表1　結(jié)構(gòu)材料性能對比

在結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要重視材料的選擇，良好性能的材料是房屋建筑優(yōu)化設(shè)計實施的重要基礎(chǔ)。比如建筑中混凝土具有良好的抗壓性能，而鋼鐵結(jié)構(gòu)具有良好的抗拉扯能力，這些材料都有其獨特的用途，充分利用它們的優(yōu)勢可以在很大程度上提高建筑工程的整體質(zhì)量。事實證明，在6.9級的地震區(qū)域中，與普通鋼筋混凝土轉(zhuǎn)換柱相比，型鋼混凝土轉(zhuǎn)換柱作為框支剪力墻結(jié)構(gòu)可以有效地減少20 %左右的截面面積，如果再利用鋼管混凝土柱的抗拉、抗剪和抗壓等優(yōu)勢還可以進(jìn)一步減小截面面積。因此建筑的有效使用面積和使用功能都會得到相應(yīng)的增加。由此看來，合理的選擇材料在高層建筑和龐大建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計中十分關(guān)鍵。

2.3建筑地基優(yōu)化技術(shù)的運用

房屋的地基是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的首先任務(wù)，也是施工過程的關(guān)鍵。合理有效的規(guī)劃地基的結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)房屋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)。在建筑業(yè)不斷發(fā)展的過程中，由于建筑產(chǎn)品在功能和形態(tài)方面千差萬別，對地基的選擇標(biāo)準(zhǔn)也會各有不同，所以要從實際情況入手，制定實際的地質(zhì)勘測方案。在考慮工程造價經(jīng)濟(jì)效益的前提下進(jìn)行房屋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，以地樁為基礎(chǔ)的地基設(shè)計則需要對房屋進(jìn)行具體的受力分析，詳細(xì)的考察地樁材質(zhì)特性，最后選出最優(yōu)的地基設(shè)計方案。

2.4節(jié)能設(shè)計技術(shù)的運用

在房屋建設(shè)中，建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的作用就是在降低工程造價的前提下，提升房屋整體的經(jīng)濟(jì)效益。為了提高經(jīng)濟(jì)效益就需要從能源利用的角度選擇節(jié)能系數(shù)較高的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。房屋結(jié)構(gòu)形式一般有3種：第一種是短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計具有較好的抗震性能，所選擇的材料也不多；第二種是框架結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計的柱截面比較大，從而影響了房屋的內(nèi)部的布局設(shè)計；第三種是框架與剪力的融合結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)具有比較強的綜合適應(yīng)能力，抗震和抗側(cè)力的效果也十分良好。因此在選擇優(yōu)化設(shè)計方案時需要權(quán)衡以上三種結(jié)構(gòu)類型的優(yōu)缺點，根據(jù)實際情況充分考慮建筑的工程造價和實際效益，然后選出最佳的房屋建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案。

2.5建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計的運用

安全是檢驗房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)，也是住戶考慮的基本問題之一。當(dāng)遇到不可抵抗的自然因素時，房屋的安全會受到巨大的威脅，因此在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要充分考慮地震荷載作用，采取合理的設(shè)計方案和有效措施來增強房屋建筑的抗震能力。通過學(xué)習(xí)和觀察，可以發(fā)現(xiàn)為了提高抗震能力，大多數(shù)建筑設(shè)計采用了結(jié)構(gòu)對稱式的方法，可用來增大建筑物的延伸性，減小建筑的危險截面，使其荷載被均勻支撐。其中延伸建筑結(jié)構(gòu)可以利用次要的結(jié)構(gòu)來保護(hù)建筑的主體以提高建筑結(jié)構(gòu)抗震性能。除此之外，建筑設(shè)計還要對細(xì)致結(jié)構(gòu)做優(yōu)化處理。在整體設(shè)計完成后，對基礎(chǔ)部分的設(shè)計還要加強精細(xì)處理。“細(xì)節(jié)決定成敗”就充分說明了細(xì)致工作在整個建筑設(shè)計過程中的重要作用，所以做好精細(xì)設(shè)計是建筑過程必不可少的基礎(chǔ)工作。

3總結(jié)

房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的優(yōu)化技術(shù)一方面提高了建筑的安全性、實用性和多功能要求，另一方面也增強了建筑的美觀效果。所以設(shè)計人員應(yīng)該將優(yōu)化技術(shù)充分運用到房屋建筑設(shè)計當(dāng)中，對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進(jìn)行合理選擇，以達(dá)到降低建筑工程預(yù)算成本的作用。隨著科學(xué)發(fā)展觀的不斷深化，設(shè)計過程更需要緊密的結(jié)合直覺優(yōu)化技術(shù)，提高房屋建筑安全結(jié)構(gòu)設(shè)計的抗震作用，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益的最大化。

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[作者簡介]姚紅梅(1989～)，女，碩士研究生，助教，研究方向為建筑結(jié)構(gòu)。

【中圖分類號】TU318.2

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

[定稿日期]2016-04-17