張曉華

（北京維拓時代建筑設(shè)計股份有限公司太原分公司，山西太原 030006）

0 引言

在通常情況下，高水平的房屋建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計師在進(jìn)行概念優(yōu)化設(shè)計時，會根據(jù)自身具備的建筑專業(yè)理論知識及豐富經(jīng)驗，有效整合房屋建筑結(jié)構(gòu)的整體概念設(shè)計，并在全面分析房屋建筑內(nèi)外部環(huán)境特點的基礎(chǔ)上，優(yōu)化完善房屋建筑結(jié)構(gòu)。近年來，人們對房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了更高的要求。為適應(yīng)時代潮流，房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計師應(yīng)打破傳統(tǒng)思想禁錮，充分展現(xiàn)房屋建筑結(jié)構(gòu)的美觀性、實用性及經(jīng)濟(jì)性。

1 房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計概述

1.1 房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本含義

在進(jìn)行房屋建筑設(shè)計過程中，房屋建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計發(fā)揮著不容忽視的重要作用。房屋結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計主要是指設(shè)計師根據(jù)自身的專業(yè)知識和已有經(jīng)驗，結(jié)合客戶對建筑的相關(guān)要求進(jìn)行建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，設(shè)計師必須綜合考量多方面因素，確保設(shè)計方案與整體房屋建筑結(jié)構(gòu)有效結(jié)合，促使房屋建筑結(jié)構(gòu)充分展現(xiàn)其實用性和美觀性價值。目前，房屋建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計需要完成以下目標(biāo)：①必須滿足對居住功能多樣化的要求。②必須確保建筑造型的美觀、實用。③積極應(yīng)用先進(jìn)的建筑技術(shù)。在通常情況下，與建筑相關(guān)的設(shè)計主要可分為結(jié)構(gòu)設(shè)計和概念設(shè)計兩大類；在房屋建筑修建過程中，二者應(yīng)該相互結(jié)合，緊密相連。

1.2 進(jìn)行房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的重要性

隨著我國建筑業(yè)的高速發(fā)展，建筑能耗越來越高，建筑行業(yè)的發(fā)展必須走可持續(xù)發(fā)展的道路，而這也對房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計師提出了更高的要求。設(shè)計師必須開拓自身眼界，用更寬泛的眼光完成結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。在完成房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計后，設(shè)計師還要綜合考量多方面需求，對結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容進(jìn)行進(jìn)一步的修改與完善，從而減少投入成本，同時為后續(xù)設(shè)計提供便利。此外，我國房屋建筑規(guī)模不斷增加，現(xiàn)階段的房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)建立在縮減建筑工程造價，凸顯房屋建筑后期使用功能的基礎(chǔ)上?；诖?，進(jìn)行房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化，促使房屋建筑結(jié)構(gòu)科學(xué)化、合理化的發(fā)展也勢在必行[1]。

1.3 房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的要點內(nèi)容

房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化在一定程度上是指設(shè)計理念的完善與創(chuàng)新。在完善理念的同時，設(shè)計師還應(yīng)合理選用設(shè)計方法，確保設(shè)計方案的科學(xué)合理，以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計效果的最優(yōu)化。房屋建筑結(jié)構(gòu)主要是由地基基礎(chǔ)、主體結(jié)構(gòu)、屋面結(jié)構(gòu)等共同組成的，為全面實現(xiàn)房屋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，設(shè)計師在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，也應(yīng)著眼于細(xì)節(jié)，充分考量房屋位置、工程造價結(jié)構(gòu)受力及結(jié)構(gòu)選型等影響因素，在保障經(jīng)濟(jì)效益的同時，合理選擇最優(yōu)化的設(shè)計方法[2]。

簡而言之，設(shè)計師在設(shè)計過程中需要關(guān)注以下要點內(nèi)容：①充分掌握房屋建筑平面的平整度和結(jié)構(gòu)的對稱情況，盡量縮小結(jié)構(gòu)剛度布置與建筑整體質(zhì)量分布之間的沖突，提升建筑結(jié)構(gòu)的抗扭曲能力，避免扭曲變形過大的發(fā)生。②為防止外來壓力的集中，有效降低建設(shè)成本，設(shè)計師盡量避免轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的設(shè)置；再次，在進(jìn)行房屋建筑承重結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)選擇豎直貫通樣式，以充分利用豎向構(gòu)件承載力。③在進(jìn)行房屋建筑豎直方向的剛性設(shè)計時，必須充分保障其層次性，盡量避免因剛性結(jié)構(gòu)突變而出現(xiàn)應(yīng)力集中的問題，從而降低房屋的整體受力性能。

2 房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的具體措施

2.1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的優(yōu)化

在進(jìn)行房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，設(shè)計方案的選定至關(guān)重要。而在進(jìn)行方案設(shè)計時，房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計師必須綜合考量建筑設(shè)計中的多種影響因素，在全面整合內(nèi)外部因素的同時，對房屋建筑設(shè)計中的多種約束條件進(jìn)行透徹分析，并在此基礎(chǔ)上選擇最符合房屋建筑設(shè)計安全要求、最節(jié)省成本的設(shè)計方案。設(shè)計方案的選擇應(yīng)充分應(yīng)用復(fù)合形法、拉格朗日乘數(shù)法及POWELL等方法。此外，設(shè)計人員還應(yīng)詳細(xì)考量建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的外部影響因素，將人力、物力、財力等客觀因素可能帶來的不良影響降到最低，合理控制建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化中可能出現(xiàn)的安全隱患。最后，在進(jìn)行設(shè)計方案編制時，設(shè)計人員需要進(jìn)一步簡化內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在通常情況下，房屋建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)煩瑣復(fù)雜，而隨著建筑承載能力的提升，計算誤差很可能會超出規(guī)范要求。而計算誤差很可能導(dǎo)致工程設(shè)計成本的增加，因此，精簡內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計方案也是提升整體設(shè)計方案優(yōu)化程度的有效措施。

2.2 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化

在對房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化時，設(shè)計人員必須充分考慮房屋建筑結(jié)構(gòu)對房屋建筑整體安全穩(wěn)定情況造成的影響。因此，在優(yōu)化房屋建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，設(shè)計人員必須全方位、多角度、綜合考量建筑的結(jié)構(gòu)控制情況，在初步制訂后期設(shè)計工序方案的同時，完成基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化。以樁基項目設(shè)計為例，在進(jìn)行該項目設(shè)計時，設(shè)計人員必須仔細(xì)考慮考慮樁長及樁徑。此外，為了進(jìn)一步實現(xiàn)建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化，相關(guān)人員必須對建筑設(shè)計成本進(jìn)行有效控制，明確設(shè)計采用的先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，同時還要充分保障房屋建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計與當(dāng)前行業(yè)及社會發(fā)展戰(zhàn)略理念相契合。最后，設(shè)計師應(yīng)確保房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠滿足當(dāng)下用戶的多樣化審美需求，為后期建筑維護(hù)奠定良好基礎(chǔ)。

2.3 房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計模型的優(yōu)化

建筑模型的優(yōu)化是房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的第一步，而在優(yōu)化過程中，設(shè)計人員必須遵循以下原則：首先，合理選擇結(jié)構(gòu)設(shè)計變量。設(shè)計人員必須充分了解房屋建筑的各項參數(shù)及系統(tǒng)特性，并對其展開全面透徹的分析，明確設(shè)計過程中的各類主客觀影響因素。其次，設(shè)計人員應(yīng)確定房屋建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計的目標(biāo)函數(shù)。參數(shù)的選取是房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要環(huán)節(jié)，而成本投入的減少也是進(jìn)行房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的一大目標(biāo)。設(shè)計師在進(jìn)行建筑模型優(yōu)化時，可尋求相關(guān)條件及影響因素，有效控制成本投入。另外，設(shè)計師在開展設(shè)計工作時，需要綜合考量房屋建筑結(jié)構(gòu)的安全性及穩(wěn)定性因素，為設(shè)計方案的有效性和合理性提供充分保障。而在進(jìn)行約束條件設(shè)計時，設(shè)計師還應(yīng)全面分析裂縫寬度、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等約束條件，通過綜合對比約束條件和房屋建筑結(jié)構(gòu)的實際情況，進(jìn)一步規(guī)范設(shè)計要求，促使房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作發(fā)揮最大價值[3]。

2.4 上部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

大量研究證明，相較于房屋建筑其他部位的結(jié)構(gòu)來說，上部結(jié)構(gòu)更容易被剪切力影響。一旦上部結(jié)構(gòu)遭到剪切力的干擾，房屋建筑的穩(wěn)定性將大幅下降?；诖?，設(shè)計人員在進(jìn)行房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計時，也應(yīng)提出更具針對性的設(shè)計方案，保證結(jié)構(gòu)具備一定剛度，使結(jié)構(gòu)受到水平外力時變形形態(tài)為彎曲變形，從而為建筑物的安全穩(wěn)定提供更強(qiáng)有力的保障。首先，房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計師應(yīng)優(yōu)化剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計。在優(yōu)化設(shè)計過程中，設(shè)計人員應(yīng)重點關(guān)注建筑平面形心與結(jié)構(gòu)中心的設(shè)計情況，確保二者達(dá)成一致。此外，設(shè)計人員必須對建筑空間進(jìn)行科學(xué)設(shè)計，通過選用合理的計算方式來完成結(jié)構(gòu)計算，確保剪力墻墻體與建筑墻體達(dá)成一致。在該階段，設(shè)計人員應(yīng)重點關(guān)注豎向構(gòu)件連續(xù)性，聚焦其中的錯洞和大洞口現(xiàn)象，避免承重墻出現(xiàn)安全事故。而在確定柱截面與墻長時，設(shè)計人員也應(yīng)充分考量適用的建筑工藝技術(shù)，以實現(xiàn)建筑層高與層數(shù)的優(yōu)化設(shè)計。

2.5 地下室結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

作為房屋建筑的重要組成部分，地下室的結(jié)構(gòu)成本往往在結(jié)構(gòu)總成本中占據(jù)較大比重。因此，對地下室結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效優(yōu)化，也能進(jìn)一步實現(xiàn)成本控制。在優(yōu)化地下室結(jié)構(gòu)的過程中，設(shè)計師應(yīng)在滿足建筑設(shè)計需求的基礎(chǔ)上，通過降低地下室層高的方式來節(jié)約設(shè)計材料，達(dá)到成本控制的目的。同時，降低地下室層高也能減少設(shè)計階段土方的開挖量，節(jié)省設(shè)計時間，降低后期的成本維護(hù)費(fèi)用。此外，設(shè)計師還應(yīng)充分考量設(shè)計地段環(huán)境，比如：在地下水源較充足的地段進(jìn)行設(shè)計建設(shè)時，必須綜合考量浮力對房屋建筑結(jié)構(gòu)造成的影響，可在一定程度上降低地下室層高，減少抗拔樁數(shù)量及底板配筋使用量。

而在正式進(jìn)行地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計時，設(shè)計人員還應(yīng)全面考慮地下水浮力、土壤重力轉(zhuǎn)化等客觀因素，因為此類因素會對房屋建筑結(jié)構(gòu)造成一定的影響。地下室底板及側(cè)墻所承受的平面外的力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地上構(gòu)件所承受的平面外的力，地下鋼筋用量會遠(yuǎn)大于地上，因此地下構(gòu)件精細(xì)化區(qū)分設(shè)計更為重要。在實際設(shè)計階段，設(shè)計師應(yīng)詳細(xì)分析對房屋建筑的每一部分鋼筋配置情況，完成建筑用料估算及統(tǒng)計。在受力較少的結(jié)構(gòu)部位，可使用通長鋼筋，如房屋結(jié)構(gòu)部分的受力較大，則可采用局部附加等方式完成建造。

2.6 與設(shè)備管綜配合設(shè)計

房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，對結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化進(jìn)行應(yīng)用的同時，還應(yīng)與設(shè)備管線進(jìn)行配合優(yōu)化設(shè)計。例如，給排水系統(tǒng)設(shè)計是房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要組成部分，其復(fù)雜程度較高，應(yīng)充分考慮實際情況來開展設(shè)計。特別是穿墻管道設(shè)計中，應(yīng)以便于施工為原則，提前預(yù)留管道碰撞檢測的空間，并做好預(yù)埋孔洞的標(biāo)記，以便于施工方在施工的時候可以提前預(yù)埋孔洞，避免返工問題的出現(xiàn)。對于需穿過承重墻的排水管道，應(yīng)做好對周圍的加固處理，保證承重墻的穩(wěn)定性。于設(shè)備管綜配合設(shè)計中，應(yīng)考慮施工方面的問題，避免管道繞柱問題的出現(xiàn)[4]。隨著科技的進(jìn)步，BIM技術(shù)在建筑設(shè)計中得到了越來越多的應(yīng)用。于設(shè)備管綜配合設(shè)計中，也可以應(yīng)用BIM技術(shù)，來開展碰撞檢測，確保結(jié)構(gòu)構(gòu)件與設(shè)備管線的協(xié)調(diào)性，提高建筑整體質(zhì)量。

3 進(jìn)行房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計時的注意事項

3.1 加大前期工作的投入力度

在房屋建筑工程建造過程中，設(shè)計環(huán)節(jié)發(fā)揮著不容忽視的重要作用，設(shè)計質(zhì)量的好壞將直接影響房屋建筑的設(shè)計成本、功能質(zhì)量和工程效益。因此，相關(guān)工作人員必須提高自身參與度，在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計前期便參與工作。此外，設(shè)計師也應(yīng)將自身的設(shè)計理念與現(xiàn)代房屋建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計需求有效融合，相關(guān)工作人員可根據(jù)房屋建筑設(shè)計的實際情況進(jìn)一步完善設(shè)計方案并提出建設(shè)性意見。

3.2 重視先進(jìn)技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的作用

隨著房屋建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，先進(jìn)技術(shù)的廣泛應(yīng)用和高效融合已是大勢所趨。而在現(xiàn)代化的房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，設(shè)計師可根據(jù)客戶需求和設(shè)計目標(biāo)的差異性，將計算機(jī)等先進(jìn)技術(shù)有效應(yīng)用于整個設(shè)計周期，進(jìn)一步提升設(shè)計工作的質(zhì)量和整體效率，減少人工成本投入。此外，計算機(jī)等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，還能進(jìn)一步優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)信息管理，明確各項工程數(shù)據(jù)，幫助相關(guān)工作人員快速且熟練地掌握各項工程項目參數(shù)。

3.3 優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件細(xì)部設(shè)計

在優(yōu)化房屋建筑整體結(jié)構(gòu)設(shè)計的同時，其內(nèi)部建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化也不容忽視。將內(nèi)部建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計有效融入設(shè)計各環(huán)節(jié)，不僅能保證工程設(shè)計符合相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，而且能進(jìn)一步展現(xiàn)房屋建筑工程價值及使用性能。以現(xiàn)澆板設(shè)計為例，設(shè)計人員必須對現(xiàn)澆板的受力情況進(jìn)行綜合分析，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。只有這樣，才能有效避免后續(xù)設(shè)計中出現(xiàn)的拐角裂縫的現(xiàn)象。

3.4 充分利用信息技術(shù)優(yōu)化設(shè)計

如今，隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越有益于人們的生活。使用計算機(jī)技術(shù)進(jìn)行房屋的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以取得非常顯著的效果。例如，通過計算機(jī)的精確計算，可以充分整合相關(guān)數(shù)據(jù)信息，減少因數(shù)據(jù)缺陷造成的不必要損失。另外，在房屋建筑設(shè)計時，要充分發(fā)揮建筑師的能動性，如果僅僅依靠計算機(jī)技術(shù)來優(yōu)化結(jié)構(gòu)，是有局限性的。例如，在制定建筑設(shè)計方案之初，就應(yīng)對相關(guān)設(shè)計進(jìn)行評估。計算機(jī)只能對數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合統(tǒng)計分類，不能充分考慮建筑藝術(shù)的獨特設(shè)計。此外，當(dāng)出現(xiàn)特殊情況時，計算機(jī)無法做出判斷并制定適當(dāng)?shù)慕鉀Q方案。因此，只有保證建筑設(shè)計者的主觀能動性能夠得到充分發(fā)揮，建筑設(shè)計才能做到合理性。例如，在優(yōu)化建筑設(shè)計之前，需要整合計算機(jī)統(tǒng)計技術(shù)的各個方面，然后結(jié)合環(huán)境的優(yōu)勢，設(shè)計出滿足人們高要求的建筑，確保建設(shè)項目的長遠(yuǎn)發(fā)展。

4 結(jié)語

在房屋建筑工程設(shè)計過程中，建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化已得到充分重視和廣泛應(yīng)用。為了充分保障房屋建筑結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計質(zhì)量，順利推進(jìn)建筑工程后續(xù)設(shè)計，滿足人們對房屋建筑結(jié)構(gòu)的多樣化需求，相關(guān)單位及設(shè)計人員必須對房屋建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、設(shè)計方案及設(shè)計模型進(jìn)行全方位優(yōu)化，以實現(xiàn)我國房屋建筑事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。