Question

【论建筑结构设计的优化问题】 建筑结构设计优化及实例

Answer 1

　　摘 要：如若说建筑是一首特殊的华美乐章，那么，建筑结构是这首乐章的“曲风”。而对建筑结构设计优化来说，它在建筑结构设计、乃至整个建筑中的作用是不容小觑的。文中从建筑结构设计优化的优点着手，分别从建筑结构设计优化的方法和技术上，谈了一些个人对于“建筑设计结构设计优化”的认识。
　　关键词：建筑；结构设计；优化
　　中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
　　在建筑领域内，数字计算机和相关的数字技术，不仅能够让从业者轻松自如的完成数据分析和计算、项目设计和出图等一系列工作。而且它也带给了我们许多“新体验”。比如说：建筑结构设计优化。经验告诉我们，在以数字计算机为操作平台，以数学、力学等学科为参考的建筑结构设计优化工作，不仅能够辅助结构师进行项目“可执行性”（传统结构设计）这一主要工作，同时，它也能够对结构设计的“安全性”、“经济型”等有关问题起到权衡利弊的作用。毫无疑虑，建筑结构设计优化为日趋复杂、多元化的建筑实现了强有力的结构架设保障。而在具体的工作中，如若想真正达到经济和合理双收益的工作目标，我们必须要严格把握相关的方式方法和技术手段。
　　一、建筑结构设计优化的好处
　　我们都知道，在传统的建筑结构设计中，设计者通常会根据设计要求，然后结合以往的实践经验，参考近似的设计方案，以判断的方式去着手进行相应的设计方案，在此之后，再去进行有关“强度”、“刚度”、“稳定”等相关方面的计算。在运用此方法进行结构设计时，如果条件允许的话，设计者还会从结构布局、结构外形、材质选择等方面入手，去寻求一个更为合理的设计方案，而在力学分析方面也仅仅是起到了一个核对查考、比较验证的作用。于是，传统的建筑结构设计就暴露出以下这么几种主要弊端：①工作量大、效率低下；②由于时间限定和设计者经验不足等内外因素，致使所敲定的设计方案并非是最为理想、科学的方案；③以分析和计算各种外界因素作用下的受力、变形等力学反应为工作目标，未达到设计这一层面。
　　然而，伴随着数字技术等科学技术的崛起、涌进，我们人类的思维、感想等各种与设计有关的因素，也不断地被充溢和改变着。这时候，只能够起到“分析”作用的传统结构设计方式就明显的有些力不从心了。因为，在现如今，不管是任何一种设计，其除了要满足设计对象的工艺性能等艺术特征，可靠性、安全性等使用性性能之外，还要做到设计对象被生产时，达到消耗最低、误差最小、费用最低等目的。而建筑结构设计优化，就是如此。
　　事实证明，建筑设计优化能够做到：“将设计周期缩短到最小范围，节省大量人力，提高设计质量及水平，从而，最终取得显著的经济和社会效益。”而建筑结构设计优化是如何做到这点的呢，这要从其方法和技术上谈起。
　　二、建筑结构设计优化的方法
　　和所用结构设计优化一样，建筑结构设计优化的主要特征是让“参与计算的部分以变量的方式”出现。通俗的讲，就是在设计过程中，在符合各种相关规范、规定条例之下，将所有能够实现结构设计的方案全部罗列出来。而后，在数学手段的辅助之下，按照设计预定要求，从中挑选一个“可执行性”、“科学性”和造价最低等各种优势兼顾的最优方案。而具体到方法的应用上，建筑结构和工程造价是两个最为明显的突破口。
　　（一）建筑结构
　　建筑抗震设计要求建筑平面宜规则、简单、对称，减少偏心，平面的长宽比不宜过长、平面凹凸不能太大，竖向抗侧力构件尽量连续等。因此建筑设计师在建筑方案设计阶段全局考虑尤为重要！同时结构师参与建筑方案的设计也是很有必要的。建筑方案规则合理了，结构设计师再在受力分析及概念设计方面进行计算分析、合理调整。就能做出完成一个既经济有安全的结构，做到既节省又节能的要求！大量工程实例表明，不规则的建筑方案很大程度上使得结构师在优化设计上显得有些力不从心。
　　对于一项工程而言，从建筑工程的结构入手，是设计师最长使用的结构设计优化办法。诚然，建筑结构总体是由若干个分部结构构建而成的，而建筑分部结构又可被分为：“基础结构”（建筑框架）、“屋盖结构”、，“围护（墙体）结构”以及“结构细部”（如：门窗、地板等）等多个方面。于是乎，每一个分部结构都成为了设计师使用结构设计优化的突破口，在具体操作时，设计者便可以在相关规定要求范围之内，围绕造型、选材、布局、位置、力学、造价等各个优化设计关键因素去结合具体情况（建筑师等相关人员的需求），本着经济效益、安全系数“双丰收”的方针，由片面（每一个分部结构）及全面的进行建筑结构优化设计。
　　（二）工程造价
　　经试验证明，在建筑工程项目中，正确使用建筑结构优化方法，可以让工程造价降低到5%-30%（就现况而言，但随着技术的革新，比率会越来越高）。所以，在保证建筑内部各个分支能够相互协调，保障建筑的安全性、合理性，结构可靠度的情况之下，合理的利用建筑材质材料，是降低工程造价的最直接的方式。于是，这也就成为建筑结构设计优化方法的另一个“着陆点”。
　　综上所述，我们不难看出：从正确的“入口”使用建筑结构设计优化方法，是实现建筑适用性能高、安全性能高、成本低廉等优势行之有效的途径。而在具体应用上，我们还要毫无纰漏的应用技术手段，来予以实现。
　　三、建筑结构设计优化技术上的难题
　　每一项建筑结构设计，它都会产生出许多种结构布局设计方案，另外，建筑物细部的处理方式更是千差万别的。对于设计者而言，通过一味的去分析设计中各种相关参数、材料、负荷值等数值，去寻求优化设计并非是科学的。因为，就拿负荷值来说，同种负荷情况下，也存在有许多不同的分析方式方法。
　　其实，建筑结构设计优化，同样也要遵循传统结构设计的流程的：“设计（拟定各个相关尺寸）→校核（审核是否符合规范条例）→修改设计方案→再校核”，如此循环，直至达到理想方案。而在此流程中，结构设计师的经验、学识、阅历是起着不容小觑的作用的。例如说：每一个建筑项目都会在其建设中或建成后，有可能遇到许多不可预见的自然灾害，如地震、火山喷发等地质灾害。而在建筑结构设计优化过程中，设计者就要做到防患于未然。落实到操作上，我们首先要将不利于对抗“地震”等自然灾害的做法排除在外，其次，我们在设计优化过程中，一定要认真考虑“地震作用”、“风荷载”以及“轴力”、“弯矩”、“剪力”等和“外荷载”相关的各种数值。而在解决此问题上，设计者可以凭借自己的工作经验和学识，去因地适宜的进行设计。诸如：刚度平衡对称可以减轻地震给建筑带来的损害；“延性设计”可以避免建筑在地震影响下，发生“脆性断裂”现象；以及“多道设防设计”会让在特大地震发生时，先破坏建筑的次要构造元素，以达到最小限度的影响主体建筑结构。另外，随着建筑楼层的不断增高，结构师可以在满足建筑师设计诉求的基础之上，采用水平布置对称、规则，竖向上下贯通的优化方法。如此的优化方法，由于尽可能的缩小了质量和刚度中心，使得建筑物不会出现由于水平负荷过大，产生扭曲的状况；另外，竖向连贯的方法，让竖向刚度产生了“渐变”效应，从而不至于产生刚度突变，出现应力集中的弊端。
　　总而言之，建筑工程，不仅是一项极度科学、严谨的学科，而且也是一项资费高昂的工程。在进行建筑结构设计优化的“征途”中，结构师一定要从多角度出发，全方位的估计所涉及到的各种问题，总之，我们既要遵循相关的规则和准则，又要在保证项目最优化设计的基础之上，去寻找能够实现“开源节流”的结构设计方式和技术手段。
　　四、结语
　　显而易见，建筑结构设计优化的出现，为现在的建筑选择了一个最为有效、科学的建筑结构。有句名言曾经说到：“建筑的目标在创造完美，也就是创造最美的效益。”对于一个建筑结构设计师来说，在保证建筑安全、可靠性的前提之下，探索科学、经济、实效性的建筑结构是非常值得提倡的。因为，建筑结构设计优化方法的技术性实现，不仅可以让建筑项目在施工中找寻到最经济、最合理的材料利用方式，也可以让结构内部各元素得到很好的调配，更可以使落成的建筑拥有极高的安全度。无疑，建筑结构设计优化是让建筑实现经济、安全、并且不乏适用性的最佳途径。
　　参考文献：
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　　[3] 徐传亮，光军著.《建筑结构设计优化及实例》[M].北京：中国建筑工业出版社.2012(03)
　　[4] 姜牛著.《建筑结构设计中应注意的问题》[J].《价值工程》.2011(36)
　　[5] 朱江著.《试谈建筑结构设计的要点》[J].《价值工程》.2010(27)
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