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一、建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計基本原則

1.1建筑平面布置產(chǎn)生規(guī)則結(jié)構(gòu)效應(yīng)的原則

　　有規(guī)則建筑體型和平面布置的結(jié)構(gòu)，因其受力較簡單，造價相對較低。但由于不同使用功能的需要，建筑的體型和平面布置是多種多樣的，不可能因結(jié)構(gòu)要求規(guī)則而對建筑師的創(chuàng)作提出無理要求，倒是可以在滿足不同使用功能的前提下，通過對結(jié)構(gòu)墻、柱的布局和墻肢長短的調(diào)節(jié)，使不規(guī)則的建筑體型和平面布置產(chǎn)生規(guī)則結(jié)構(gòu)的效應(yīng)，同樣可以使建筑結(jié)構(gòu)達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理和安全耐用的預(yù)定目標(biāo)。

1.2提高建筑舒適度原則

　　所謂好的建筑，應(yīng)是從建筑、結(jié)構(gòu)、裝飾裝修到給排水、暖通、空調(diào)、燃?xì)?、電氣安裝等各專業(yè)的優(yōu)化設(shè)計組合，是整體優(yōu)化設(shè)計，如果僅僅是某個專業(yè)設(shè)計得好，是不可能被稱作是一個好建筑的，結(jié)構(gòu)設(shè)計也不能例外的;建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要能******程度地滿足建筑平面布置、內(nèi)部空間高度和建筑立面等使用功能和外形觀感的要求，投入使用后，使用戶在工作和生活中感到很舒適，使建筑真正成為人人贊美的好建筑，這才是建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的出發(fā)點和落腳點。因此，建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計應(yīng)包含結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)選、傳力途徑的科學(xué)性、構(gòu)件布置的合理性、構(gòu)件和材料選用的正確性等內(nèi)容;應(yīng)該把盡可能提高建筑投入使用后的舒適度作為建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的一條重要基本原則。

1.3建筑結(jié)構(gòu)整體安全度原則

　　我國早已頒布實施的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2001)規(guī)定的抗震設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)是：“小震不壞，中震可修，大震不倒”，是說整個建筑結(jié)構(gòu)所有構(gòu)件要共同達(dá)到的目標(biāo)。如果一個工程有99%的構(gòu)件在大震作用下不會被破壞，而其中有1%的構(gòu)件即使在小震作用下就被破壞，導(dǎo)致整個建筑垮塌，那么，這個工程還能說是結(jié)構(gòu)安全嗎?所以結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計應(yīng)全面考慮整體建筑的每個構(gòu)件，使結(jié)構(gòu)體系中每個構(gòu)件都具有合理的可靠性，確保整個結(jié)構(gòu)體系的安全性能，確保實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范規(guī)定的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到建筑結(jié)構(gòu)既安全耐用又經(jīng)濟(jì)合理的總目標(biāo)。這就是結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)堅持的建筑結(jié)構(gòu)整體安全度原則。

1.4不同構(gòu)件采用不同的安全系數(shù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計原則

由于現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板的約束作用，可以在很大程度上提高樓蓋梁的承載能力，******時可提高約1.5倍。而現(xiàn)行國內(nèi)結(jié)構(gòu)計算軟件卻不能準(zhǔn)確反映現(xiàn)澆樓板的這種約束作用，因此，按力學(xué)計算結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計的話，對現(xiàn)澆樓蓋梁而言，它的安全系數(shù)就偏高了許多。另一方面，從對出現(xiàn)垮塌事故的工程進(jìn)行事故原因調(diào)查和分析可以得知，由于樓蓋或樓蓋梁的問題而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的工程實例極少，除非是結(jié)構(gòu)計算本身有誤;從許多震害調(diào)查的工程實例中也可得知，在地震力作用下建筑倒塌的主要原因，也大多是由于墻、柱等豎向構(gòu)件首先遭到破壞所致。在實際的結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中，若不考慮構(gòu)件的實際承載能力，對所有構(gòu)件采取相同的安全系數(shù)，就會造成建筑結(jié)構(gòu)在安全性和經(jīng)濟(jì)性方面的不合理。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，對獨立構(gòu)件、靜定結(jié)構(gòu)和豎向構(gòu)件應(yīng)采用較大的安全系數(shù)，而對樓板和樓蓋梁的安全系數(shù)可予以適當(dāng)降低，這樣處理既可以降低工程造價，又可提高結(jié)構(gòu)的綜合安全度。

二、房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的必要性

為了達(dá)到結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的目的，工程設(shè)計人員必須在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，通過對建筑結(jié)構(gòu)的整體概念分析，采用合理的優(yōu)化設(shè)計理念和方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使得能有效地控制工程造價，滿足投資方的經(jīng)濟(jì)性要求。通過以往的優(yōu)化設(shè)計經(jīng)驗來看，相比于傳統(tǒng)的設(shè)計方法，優(yōu)化設(shè)計通?？梢赃_(dá)到降低工程造價5%～30%的目的。但是在實際的工程設(shè)計中，很多因素都制約了優(yōu)化設(shè)計的開展和實施。比如，工程的設(shè)計進(jìn)度的要求，使得設(shè)計人員根本無暇顧及到結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計要求;再者，由于知識水平的限制，傻瓜化的設(shè)計軟件使得部分設(shè)計人員對優(yōu)化設(shè)計的理解缺乏，更談不上有效合理的優(yōu)化設(shè)計，大部分設(shè)計人員在所謂優(yōu)化設(shè)計中總著眼于局部部位而忽略了結(jié)構(gòu)總體方案的設(shè)計，沒有從總體布局上考慮造價的控制。為此，為了降低工程造價的成本，提高設(shè)計人員在提高設(shè)計人員在實際工作中對優(yōu)化設(shè)計的認(rèn)識和重視非常必要，只有加強(qiáng)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益的有效結(jié)合，通過合理的優(yōu)化設(shè)計方案，才能達(dá)到創(chuàng)造更大的社會效益。

三、房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的內(nèi)容

　　結(jié)構(gòu)設(shè)計的工作主要是根據(jù)建筑設(shè)計的要求，采用合理的設(shè)計理念和方法，來確定適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式、布置以及具體的構(gòu)件設(shè)計尺寸。對常見的鋼筋混凝土住宅結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行優(yōu)化時，可以從結(jié)構(gòu)整體的布局以及具體構(gòu)件兩方面的因素來加以考慮。影響結(jié)構(gòu)整體的布局的因素包括了建筑物的體型特征、柱網(wǎng)尺寸、層高以及抗側(cè)力構(gòu)件的位置等具體構(gòu)件因素主要包括結(jié)構(gòu)的布置、構(gòu)件的截面、混凝土和鋼筋強(qiáng)度等級及配筋構(gòu)造等。綜合考慮兩方方面的因素影響是必須的，為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，對工程師提出了更高的要求，即需要結(jié)構(gòu)工程師對結(jié)構(gòu)和構(gòu)件受力特征有充分的把握，能根據(jù)構(gòu)件設(shè)計的合理經(jīng)驗和規(guī)范的深刻理解，采用合理優(yōu)化方法進(jìn)行有效設(shè)計。

3、房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的措施

3.1建筑結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化設(shè)計

3.1.1剪力墻的設(shè)計

　　聯(lián)肢墻是通過連梁連接的各墻肢聯(lián)結(jié)而成，從而增加了墻肢的約束條件。連梁的剛度增大必將使得結(jié)構(gòu)的地震作用也增大，這樣連梁和墻肢分配內(nèi)力也相應(yīng)增大，此時必須增大構(gòu)件的配筋量，顯然這一設(shè)計結(jié)果必然會造成材料的浪費(fèi)。因此，在住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計時，一般情況下不宜采用大剛度的窗下墻作為連梁，而宜將連梁設(shè)計成為截面、剛度較小的弱連梁。同時，在滿足結(jié)構(gòu)剛度與變形要求時，應(yīng)從經(jīng)濟(jì)角度與抗力、變形方面綜合考慮，合理布置抗側(cè)力構(gòu)件。顯然，剪力墻數(shù)量越多，結(jié)構(gòu)抗側(cè)力剛度愈大，相應(yīng)結(jié)構(gòu)位移會減小，但是結(jié)構(gòu)地震力會隨抗側(cè)力剛度增大而加大，對結(jié)構(gòu)的造價控制不利。因此剪力墻應(yīng)以周邊均勻、對稱、分散等原則合理布置，以規(guī)范規(guī)定的水平位移限值為準(zhǔn)盡可能減少剪力墻數(shù)量。

3.1.2砌體結(jié)構(gòu)的設(shè)計

　　作為承重構(gòu)件和抗側(cè)移構(gòu)件的磚砌體，其平面布置較為靈活，但不適宜做躍層結(jié)構(gòu)及受力較大的突兀結(jié)構(gòu)形式。門窗開洞寬度不宜超過2.1m，縱向墻體數(shù)量不宜少于三道，這一措施可以適當(dāng)減少構(gòu)造柱的配筋。宜使砌體房屋成為縱橫剛度相近、各層約束合理分布的空間受力體系。

3.1.3底部框架剪力墻的設(shè)計

　　底部框架剪力墻結(jié)構(gòu)由于豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)，使得建筑物在轉(zhuǎn)換層上下出現(xiàn)剛度、內(nèi)力和位移突變，促使部分構(gòu)件提前破壞，因此對建筑物在轉(zhuǎn)換層上下的剛度比的要求比較嚴(yán)格，以緩解構(gòu)件內(nèi)力、位移突變的情況。由于底部框架剪力墻結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)剛度突變、位移突變等不規(guī)則項，在設(shè)計時應(yīng)盡量避免錯層、樓板不連續(xù)、平面或豎向尺寸突變等不規(guī)則項，以免形成具有較明顯的抗震薄弱部位的特別不規(guī)則結(jié)構(gòu)。承重墻盡量放在框架梁上，如果出現(xiàn)放在次梁上的墻體時，應(yīng)適當(dāng)加大該次梁、主梁、框架梁的安全系數(shù)，加厚該處的樓板厚度。

3.2注重細(xì)部優(yōu)化

3.2.1在注重整體設(shè)計的同時，也應(yīng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)局部構(gòu)件的精細(xì)設(shè)計。比如現(xiàn)澆板設(shè)計中盡量把異形板劃分為矩形板，這樣既達(dá)到合理受力的目的，也避免了拐角裂縫的出現(xiàn)。

3.2.2底部框架抗震墻的底框梁箍筋配箍量一般較大，此時若選用冷軋帶肋鋼筋作為箍筋，便可減少箍筋肢數(shù)或箍筋直徑，達(dá)到降低造價的以及方便施工的目的。還有，為減少柱構(gòu)件底部截面，采用高強(qiáng)度的混凝土是不錯的選擇，但是水平構(gòu)件混凝土可適當(dāng)減少混凝土的標(biāo)號，滿足了受力要求，也節(jié)約了成本。

3.3結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件在優(yōu)化設(shè)計中的運(yùn)用

隨著計算機(jī)技術(shù)以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計理論的結(jié)合，基于計算仿真的優(yōu)化設(shè)計思路已經(jīng)在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用。通過利用計算機(jī)分析軟件建立優(yōu)化設(shè)計的分析模型，采用高效的計算機(jī)優(yōu)化計算方法，設(shè)立結(jié)構(gòu)設(shè)計達(dá)到的目標(biāo)要求，最終實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化目的。在具體的優(yōu)化設(shè)計過程中，優(yōu)化設(shè)計實際上已經(jīng)由一個工程問題轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€數(shù)學(xué)問題。在大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計中，基于這一思想的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法具有其他算法無法替代的優(yōu)勢。因此，工程設(shè)計人員加強(qiáng)基于計算機(jī)技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計分析非常必要。

四、結(jié)語

從理論上講，任何建筑體型都有一種相對比較規(guī)則的結(jié)構(gòu)受力方案，因為當(dāng)建筑體型確定以后，整體建筑的形心和質(zhì)量中心就也確定了，結(jié)構(gòu)設(shè)計師在設(shè)計時只要使結(jié)構(gòu)的荷載中心和剛度中心盡可能地接近乃至重合，該建筑結(jié)構(gòu)就基本具備了穩(wěn)定和規(guī)則性的條件，通過從整體和細(xì)部的優(yōu)化設(shè)計，采用合理的結(jié)構(gòu)形式和布置，優(yōu)化構(gòu)件設(shè)計和構(gòu)造，使得建筑結(jié)構(gòu)符合安全耐用和經(jīng)濟(jì)合理的要求。