王 祎

中盛精誠工程項(xiàng)目管理有限公司貴州分公司 貴州 貴陽 550081

建設(shè)工程是建設(shè)工程的組成部分，對建設(shè)工程的質(zhì)量至關(guān)重要，良好的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)有助于改善建筑性能。相反，如果結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)不利于建筑工作，則很容易產(chǎn)生安全問題。因此，設(shè)計(jì)人員在對建筑工程進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作時(shí)，必須注意一定的優(yōu)化設(shè)計(jì)程序，以保證建筑工程的整體質(zhì)量和安全。

1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的含義及意義

1.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的含義

結(jié)構(gòu)優(yōu)化是在建筑工程中追求結(jié)構(gòu)優(yōu)化規(guī)劃，綜合考慮結(jié)構(gòu)安全性、易用性、美觀性、經(jīng)濟(jì)性等因素。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)針對特定項(xiàng)目，具有地理環(huán)境目的、原材料供應(yīng)條件、個(gè)人審美要求、成本控制措施等限制。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是通過在有限的情況下滿足項(xiàng)目的需要，認(rèn)識設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，采用適當(dāng)?shù)膬?yōu)化技術(shù)來實(shí)施優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)在驅(qū)動力在于找到安全性、經(jīng)濟(jì)性和易用性的最佳組合。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程始終是一個(gè)發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的過程，需要專業(yè)技術(shù)人員概念設(shè)計(jì)、計(jì)算分析和同行評審方面的技能，還需要專業(yè)外的合作與協(xié)作。因此，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。

1.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在建筑工程設(shè)計(jì)中的意義

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)作為建筑工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，可以保證建筑工程結(jié)構(gòu)的整體安全和空間資源的有效利用。然而，由于施工環(huán)境復(fù)雜，市場發(fā)展環(huán)境多樣，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)教育中的科學(xué)有效性并不能得到保證。長期來看，建筑施工可持續(xù)性不強(qiáng)，將阻礙建筑業(yè)的健康發(fā)展。為此，開發(fā)商應(yīng)從科技資源入手，并結(jié)合房屋的實(shí)際建造狀態(tài)來優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而避免了其他因素的負(fù)面影響，滿足了人們對舒適性和環(huán)境穩(wěn)定性的需求。

2 建筑施工結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)容

2.1 結(jié)構(gòu)的概念優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化設(shè)計(jì)概念設(shè)計(jì)主要包括建筑系統(tǒng)選擇、場地選擇、建筑尺寸合理化、建筑布局等，選擇一個(gè)合理的系統(tǒng)，，盡可能多地使用規(guī)則的平面形狀，提高執(zhí)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，對于節(jié)省設(shè)計(jì)成本尤為重要[1]。

2.2 主要構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)

主要構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要包括結(jié)構(gòu)圖的簡化、建筑材料的選擇、構(gòu)件的選擇、電樞的設(shè)計(jì)等。對于適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，部件的大部分加固必須在結(jié)構(gòu)加固的允許范圍內(nèi)。如果設(shè)計(jì)者不理解規(guī)范的目的，隨意通過增加材料的用量來解決安全問題，設(shè)計(jì)不僅不會變得更安全，反而會起到反作用。

2.3 細(xì)部節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

細(xì)部節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要包括外飾條、飛檐、環(huán)梁和壓頂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，這些都是設(shè)計(jì)師經(jīng)常忽略的。但是，由于這是建設(shè)成本的重要組成部分，因此必須嚴(yán)格控制以防止進(jìn)一步損失。

3 建筑工程設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)存在的問題

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案欠合理

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)規(guī)劃包括結(jié)構(gòu)系統(tǒng)層面的總體布局，還有材料組件、截面選擇以及梁、柱、墻和基礎(chǔ)空間的布局。雖然規(guī)劃結(jié)構(gòu)化項(xiàng)目的存在理由一直是研究人員和工程師的工作，但兩組的出發(fā)點(diǎn)、研究方法和思維方式實(shí)際上是不同的。雖然科學(xué)研究人員希望從根本上確定最佳結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)決策的基本原理，但工程師對工程師的狀況有更好的了解，并且結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是以安全為基礎(chǔ)的，設(shè)計(jì)師必須做好行動規(guī)劃。從這個(gè)角度來看，工程師的出發(fā)點(diǎn)更接近實(shí)際項(xiàng)目，評估建設(shè)計(jì)劃的合理性會更正確。然而，根據(jù)工作的性質(zhì)和內(nèi)容，很難仔細(xì)評估和改變計(jì)劃的基本原理，因?yàn)榇蠖鄶?shù)工程師的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)有限，缺乏培訓(xùn)和更新會導(dǎo)致計(jì)算理論知識缺乏支撐。當(dāng)研究人員分析結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)劃的基本原理時(shí)，不會考慮技術(shù)和邊際錯(cuò)誤。未能正確考慮技術(shù)錯(cuò)誤會導(dǎo)致有風(fēng)險(xiǎn)的測試結(jié)果，不可接受的容錯(cuò)會導(dǎo)致保守的測試結(jié)果。這說明科研人員與技術(shù)人員之間缺乏信息交流，導(dǎo)致理論研究與工程實(shí)際需求之間缺乏足夠的理解。以設(shè)計(jì)工程為例，當(dāng)研究深度不足時(shí)，難以保障設(shè)計(jì)方案的合理性，而正確優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的依據(jù)是資質(zhì)水平不足和可靠性低。而且，我國還在不斷地對房地產(chǎn)項(xiàng)目管理制度的實(shí)施進(jìn)行檢驗(yàn)和評估，其唯一的標(biāo)準(zhǔn)就是規(guī)范。只要不違反標(biāo)準(zhǔn)，大多數(shù)承諾都可以避免，設(shè)計(jì)師仍然可以專注于“安全”并保持冷靜。在討論項(xiàng)目結(jié)構(gòu)方案合理性的階段，考慮到宏觀層面留下了很多要求，阻礙了項(xiàng)目結(jié)構(gòu)方案在更高層次和方向上的合理發(fā)展[2]。

3.2 造價(jià)管控力度不足

造價(jià)管控力度不足主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是設(shè)計(jì)人員對配額制定的了解不夠，二是成本管理方法和制度還不完善。從長遠(yuǎn)來看，對設(shè)計(jì)師來說最重要的是施工的安全性。當(dāng)他們的設(shè)計(jì)能力不夠時(shí)，他們不會犧牲節(jié)省來為結(jié)構(gòu)提供更大的安全邊際，這是一個(gè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)師，對項(xiàng)目成本沒有給予應(yīng)有的重視。在大多數(shù)工程項(xiàng)目中，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作與整體項(xiàng)目投資管理的聯(lián)系并不緊密。資本成本管理是一個(gè)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)問題，許多建筑設(shè)計(jì)師都這么認(rèn)為，他們不認(rèn)為他們正在積極管理建設(shè)成本，因?yàn)閺拈L遠(yuǎn)來看，工程無法過度使用來完成工作。然而，在實(shí)踐中，項(xiàng)目成本管理不僅僅是一個(gè)工程和經(jīng)濟(jì)問題，而是一個(gè)需要所有部門合作的問題。施工也符合設(shè)計(jì)結(jié)果的共識，考慮到工程總成本的大部分，這是造價(jià)管控的來源之一。如果在設(shè)計(jì)階段不主動控制方案優(yōu)化的成本，在項(xiàng)目的后續(xù)實(shí)施過程中很難回到之前的成本。在成本管理方面，現(xiàn)有的方法和系統(tǒng)仍然可以改進(jìn)。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在建筑工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

4.1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化可以從整體結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化、結(jié)構(gòu)構(gòu)件布局優(yōu)化、結(jié)構(gòu)材料選用優(yōu)化三個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)。整體結(jié)構(gòu)布局的要求決定了結(jié)構(gòu)整體布局的宏觀要求，但不限制結(jié)構(gòu)整體布局的可變性。對于同一個(gè)參考平面，關(guān)聯(lián)的參考平面可以不同。但是，為了在整個(gè)游戲過程中賦予整體結(jié)構(gòu)布局靈活性，必須首先充分了解建筑計(jì)劃的內(nèi)部邏輯，以每個(gè)表面的點(diǎn)數(shù)計(jì)算，然后選擇合適的結(jié)構(gòu)載荷。此外，重點(diǎn)安裝結(jié)構(gòu)的特殊承重部位，如加強(qiáng)層和過渡層，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。結(jié)構(gòu)構(gòu)件不足優(yōu)化主要與主要承重部件的放置有關(guān)，如梁、柱、墻和基礎(chǔ)?，F(xiàn)有的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)規(guī)范系統(tǒng)為組件放置提供了相對完整的指南，開發(fā)者必須對規(guī)范體系有完整的了解，并詳細(xì)應(yīng)用相關(guān)規(guī)則。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)項(xiàng)目中的實(shí)際情況和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理念，采用三維方案的設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)、構(gòu)件放置、局部空間布局。結(jié)構(gòu)的物理性能與零件的強(qiáng)度、硬度和穩(wěn)定性有關(guān)，材料的選擇應(yīng)主要由零件的力學(xué)性能決定。對于中等載荷的構(gòu)件，使用相同數(shù)量的每種強(qiáng)度的混凝土或鋼材。隨著建筑結(jié)構(gòu)體量的增加和對建筑下方強(qiáng)度要求的提高，對構(gòu)件的承載能力、抗變形能力和抗外力侵蝕的要求也隨之提高。隨后，出現(xiàn)了具有力學(xué)和物理性能的高強(qiáng)混凝土、超高強(qiáng)混凝土、超高強(qiáng)鋼以及各種結(jié)構(gòu)材料。為此，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中充分考慮到結(jié)構(gòu)材料選用優(yōu)化，在合適的地方選擇合適的材料，使不同的材料能夠最大限度地發(fā)揮效率，保證材料的高利用率[3]。

4.2 基于建筑結(jié)構(gòu)體系類型的選擇

建筑系統(tǒng)類型的最佳設(shè)計(jì)方法通常是選擇建筑結(jié)構(gòu)體系，最重要的輸入因素包括建筑功能、高度、結(jié)構(gòu)、抗震要求和環(huán)境要求。目前我國城市建筑的結(jié)構(gòu)主要由三種類型組成：一種是框架結(jié)構(gòu)，一種是框架位移結(jié)構(gòu)，三是位移墻結(jié)構(gòu)。特別是，建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)常用于建筑項(xiàng)目的設(shè)計(jì)過程中。與其他類型的結(jié)構(gòu)相比，抗震性能高，制造成本低，減少了材料的使用?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是靈活性高，有利于增加建筑物的內(nèi)部空間，而且造價(jià)低?？蚣鼙Y(jié)構(gòu)是一種工程設(shè)計(jì)形式，是一種具有高靈活性和良好側(cè)向阻力的設(shè)計(jì)形式。設(shè)計(jì)者在完成一個(gè)建筑工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，必須綜合考慮設(shè)計(jì)要求、操作要求、工程造價(jià)、技術(shù)、施工等多方面因素來選擇合適的建筑工程結(jié)構(gòu)體系。確保建筑物處于最佳工作狀態(tài)，可以避免浪費(fèi)資源、控制成本，并從建筑業(yè)務(wù)中獲得經(jīng)濟(jì)效益。開發(fā)人員通常在選擇工程架構(gòu)類型后使用結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以偏墻結(jié)構(gòu)的選擇為例，在選擇偏墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)用后，應(yīng)進(jìn)行基于連梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)操作。一般來說，為了提高建筑物的抗震性能，需要增加錨梁的剛度，但增加剛度會增加錨梁與墻體之間分布的張力，而審查顯示材料質(zhì)量有顯著提高。因此，當(dāng)不需要堅(jiān)持優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師必須優(yōu)化具有松散耦合梁的大型建筑結(jié)構(gòu)。立柱的位置直接決定了建筑內(nèi)立柱之間的距離，一般立柱網(wǎng)格的尺寸為6-12m，如果桿間距太小，力會直接作用在輸電線路上，減少輸電線路的長度。雖然這種優(yōu)化技術(shù)可以有效減少建筑物上方的材料量，但根據(jù)建筑物的整體基礎(chǔ)設(shè)施，這種技術(shù)會增加項(xiàng)目的總體成本。設(shè)計(jì)師在優(yōu)化時(shí)應(yīng)將成本視為一個(gè)重要因素，會影響建筑項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和成本，數(shù)量和大小也會影響項(xiàng)目的成本。因此，設(shè)計(jì)師在完成建筑立柱布局設(shè)計(jì)后，必須對斷面進(jìn)行合理優(yōu)化，為管理項(xiàng)目成本奠定基礎(chǔ)[4]。

4.3 提高結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)手段

計(jì)算能力的顯著提高和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件能力的不斷發(fā)展，有力地支持了當(dāng)前的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。這些數(shù)字技術(shù)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算的質(zhì)量和效率。這些應(yīng)用在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中的應(yīng)用在未來將傾向于擴(kuò)展結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，特別是隨著建筑結(jié)構(gòu)尺寸的增加和結(jié)構(gòu)形式的復(fù)雜性增加，可以從各種結(jié)構(gòu)化的計(jì)算機(jī)程序和平臺中進(jìn)行選擇。不同的軟件和平臺有不同的掃描選項(xiàng)、不同的掃描目標(biāo)、使用不同的計(jì)算資源，并且各有其利弊。因此，在本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算中，選擇首先明確邊界條件和分析的目的，然后選擇軟件和計(jì)算機(jī)平臺作為目標(biāo)。如果模型沒有通過所有的測試，計(jì)算軟件也不能保證結(jié)果的可靠性。因此，正確的方法不限于特定的模型或軟件，而是被廣泛使用，包括在手動計(jì)算中，采用多種計(jì)算方法，達(dá)到結(jié)構(gòu)優(yōu)化的最終設(shè)計(jì)目標(biāo)。

實(shí)際使用支持計(jì)算和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)軟件，需要對軟件的計(jì)算邏輯和范圍有準(zhǔn)確的理解，只有在此基礎(chǔ)上才能正確使用。目前，我國自主研發(fā)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和分析軟件的功能正在迅速變化?？偟膩碚f，該軟件提供了復(fù)雜強(qiáng)度計(jì)算、零件截面驗(yàn)證計(jì)算、混凝土配筋計(jì)算、鋼結(jié)構(gòu)火災(zāi)探測計(jì)算、異形等功能，大大簡化了設(shè)計(jì)人員的工作，同時(shí)也提高了設(shè)計(jì)人員的要求，設(shè)計(jì)參數(shù)更豐富，參數(shù)設(shè)置更自由，設(shè)計(jì)者必須了解每個(gè)參數(shù)的重要性以及如何影響結(jié)構(gòu)分析。否則，軟件本身將無法發(fā)揮其強(qiáng)大的功能，會浪費(fèi)軟件資源，可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，從而產(chǎn)生嚴(yán)重后果。在提高結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中，可以看出提高結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)人員在計(jì)算機(jī)軟件領(lǐng)域的知識和技能水平是非常重要的?；诔Ｒ?guī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)軟件的功能，設(shè)計(jì)特定復(fù)雜結(jié)構(gòu)需要通用大型結(jié)構(gòu)分析和有限元分析軟件。該軟件具有強(qiáng)大的力學(xué)分析能力，最重要的數(shù)據(jù)是整個(gè)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和局部構(gòu)件區(qū)域復(fù)雜內(nèi)力的結(jié)果。由于該軟件的參數(shù)化自由度大于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，一些參數(shù)值的微小差異會導(dǎo)致結(jié)果的較大差異。因此，項(xiàng)目開發(fā)人員必須能夠在使用輸入條件時(shí)做出準(zhǔn)確的決策，提高計(jì)算和評估結(jié)果的可行性。除了結(jié)構(gòu)分析和分析軟件，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)師還需要學(xué)習(xí)一些實(shí)現(xiàn)BIM概念的軟件。BIM技術(shù)用于建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工、使用、運(yùn)營和維護(hù)，BIM技術(shù)的應(yīng)用還可以幫助提高設(shè)計(jì)師對整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的理解，從而簡化設(shè)計(jì)過程，做出更明智的選擇[5]。

4.4 柱箍筋與框架梁的優(yōu)化

對于抗震能力不同的框架梁，支撐間的最小和最大距離設(shè)置在柱支撐密度范圍內(nèi)。根據(jù)該規(guī)則，本工程設(shè)計(jì)的過梁密度柱狀范圍內(nèi)過梁間距最大為100mm。在計(jì)算機(jī)程序的一般信息欄中，還指出柱箍筋與框架梁之間的距離（應(yīng)該是120mm），設(shè)計(jì)人員將與指定的規(guī)格一起確定柱箍筋與框架梁的數(shù)量和直徑。計(jì)算機(jī)程序計(jì)算需要在密集載荷作用下在集中載荷作用點(diǎn)處，因此需要增加柱箍筋與框架梁的直徑。在框架梁設(shè)計(jì)中，確定框架梁支架密封區(qū)域邊界后，未編碼區(qū)域的支架間隙過大，支架分配比例不足，支架間距不足夠的。這里討論的柱箍筋與框架梁都被認(rèn)為是未加密區(qū)域的，在彎曲不足和位移較大的情況下，無需考慮實(shí)際要求。

4.5 建筑結(jié)構(gòu)電氣優(yōu)化設(shè)計(jì)

建筑結(jié)構(gòu)電氣優(yōu)化設(shè)計(jì)是優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。在房屋建筑中，布線用于準(zhǔn)確布線電線，以便可以有效地安裝在建筑物的地板或墻壁上。在安裝電氣導(dǎo)管時(shí)，必須考慮優(yōu)化措施以獲得一定的好處，因?yàn)樵S多因素會增加優(yōu)化設(shè)計(jì)的剛性。例如，在鋪設(shè)電纜時(shí)，如果導(dǎo)管穿過混凝土墻，則需要提前預(yù)留開口。如果沒有孔，則需要重新鉆孔以使電線穿過墻壁，但是這會影響房屋結(jié)構(gòu)的外觀并削弱墻壁的完整性。為了優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)，有必要確保建筑物墻壁的寬度與所考慮的梁的寬度相匹配。如果梁的寬度與墻壁的寬度不匹配，則必須執(zhí)行必要的程序，以確保被正確固定，并且電線不會從建筑物的墻壁上泄漏。同時(shí)，電氣也是設(shè)計(jì)過程中非常重要的一環(huán)。一般來說，一棟建筑物的電梯井有很多空腔，這些空腔是由幾個(gè)部分組成的。要解決這個(gè)問題，設(shè)計(jì)師必須保證電梯設(shè)計(jì)的獨(dú)立性，以及房屋整體設(shè)計(jì)中優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的效率和合理性[6]。

5 結(jié)語

綜上所述，當(dāng)今人居環(huán)境的整體需求日益增長，對建筑產(chǎn)品質(zhì)量的要求也在不斷提高。為了降低設(shè)計(jì)成本，需要采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，充分利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)資源，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)項(xiàng)目的預(yù)期目標(biāo)。同時(shí)，在將結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)時(shí)，既要說明優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，也要應(yīng)用不同的建筑體系，采用新的施工技術(shù)，結(jié)合實(shí)際施工情況，確保建筑結(jié)構(gòu)的安全性，提高建筑整體質(zhì)量，使建筑公司能夠在競爭激烈的建筑市場中站穩(wěn)腳跟。