结构设计优化在房屋建筑结构的应用.docx

结构设计优化在房屋建筑结构的应用 摘要：随着市场经济的进一步发展，我国建筑市场的竞争局势也越发严峻，建筑企业要在竞争的浪潮中站稳脚跟，就必须加强革新，对工程施工设计与技术方法进行深入分析和完善，尤其是建筑设计人员必须注重提高自身的专业技能，积极运用各种现代化技术，对建筑结构设计进行优化，充分突显出房屋建筑的经济性与安全性，从而增强企业的市场竞争优势，使企业在同行竞争中脱颖而出。本文笔者就对结构设计优化在房屋建筑结构设计中的应用进行了分析和研究。 关键词：结构设计优化；房屋建筑结构设计；应用 近些年，人们对生活质量和居住条件的要求不断提升，相应地，对建筑工程的综合品质也提出了更高的要求。与此同时，国家也出台了相关政策呼吁建筑的节能化、高效化发展，这就要求建筑企业积极运用结构设计优化方法，使有限的空间与资源的价值得到最大化发挥，进而促进建筑工程实用性、经济性发展目标的实现，这对我国整个建筑行业的可持续发展来说也是大有好处的。 1建筑结构设计优化的重要意义 1.1结构设计优化有利于提高材料的有效利用率。对于我国这样的发展中国家而言，建筑结构设计优化的主要目的就是以最少的资金建设出最好的建筑。站在优化设计的层面来看，结构性能最佳的方案并非一定是材料利用率最高的方案，这就要求设计者在开展设计工作的时候必须注重对结构材料的充分利用，与此同时，还要加强对各类新型建筑材料的应用，如钢管混凝土结构、预应力混凝土结构等。其中，钢管混凝土结构是在薄壁圆形钢管中填入混凝土的一种全新结构形式，其可将两类材料有机结合起来，通过填入的混凝土来提高钢管壁本身的稳定性水平，同时，还可利用钢管对核心混凝土产生的作用，使其处于三向受压状态，进而增强其抗变形能力以及抗压强度。与普通的钢结构相比，钢管混凝土结构在承载力和自重基本一致的情况下，可节省约50%的钢材，同时还可简化焊接工序，有效降低焊接工作量。相较于普通混凝土而言，钢管混凝土在确保钢材使用量相近以及承载性能一致的基础上，可减少大约50%的构件截面面积，相应的材料用量也可节省一半左右。事实证明，对房屋建筑结构设计的优化，可显著提升材料的利用率，使工程成本得到有效控制。1.2结构设计优化有利于提高建筑结构的经济性。建筑的层高越高，其墙体面积和柱体积也会相应地增加，进而致使结构的自重增大，各类水电管线也会加长。反之，若层高较低，便可大大节省材料，同时也能增强建筑的抗震性能，与此同时，建筑的总高度也会随之下降，两栋建筑之间的日照距离也会因此而缩短，这就间接节省了用地面积。在建筑面积相同的条件下，若选择圆形或接近于方形的平面形状，建筑外墙的周长系数相对来说较小，与此同时，建筑基础以及内外表面装修也会随之减少，这样就能有效提高建筑的经济性能。从以往的工程实践中可以看出，采用结构优化设计方法可使建筑工程的总造价降低6%30%，从而使整个建筑工程的经济效益更为可观。 2当前房屋建筑结构设计的现状 2.1建筑结构设计图纸不够详细。建筑工程施工中一个最为基础的要素就是图纸，这也是必不可少的一大关键要素，整个施工过程相关工作的开展都需要以图纸作为基本参照，只有设计出一个科学完善的建筑结构图纸，才能为施工提供方便，避免在后期出现不必要的变更。然而，当前部分施工企业所提供的建筑结构设计图纸并不完善，图纸中的细节内容不够详细，经常出现结构类型不明确、缺乏抗震等级要求、没有规定墙体材料类型等问题，另外，还有些图纸本身设计不够专业，没有严格按照相关标准进行图纸的绘制，图纸中的内容标识也不是很清晰，这种不规范的设计图纸对施工造成的不良影响非常大，严重时甚至会致使现场施工陷入混乱无序的状态，最终引发施工安全事故。2.2基础选型缺乏科学性。对于房屋建筑来说，使用功能的重要性毋庸置疑，但安全性也是非常重要的，建筑物的安全水平主要是由建筑结构设计的合理性决定的。建筑结构的选型是否科学、使用的材料是否满足标准要求、承载性能是否达标、抗震等级是否合理等，都会直接影响到建筑工程的整体安全水平。从当前的现状来看，我国建筑行业经常出现建筑结构选型不合理的问题，如建筑承载性能偏低、施工基础差等，这就极易导致建筑物在后期出现不均匀沉降的问题，最终引发各种安全隐患。 3结构设计优化在房屋建筑结构设计中应用的步骤 3.1建立结构优化模型。要实现对房屋建筑结构设计的有效优化，首先就必须建立科学合理的结构优化模型。结构设计优化需要从大量变量中选择出最为重要的参数，通过这些参数建立函数模型，从而计算出最优解。一般来说，模型的构建主要可分成两大环节：首先，应选择最为合理的设计变量，这是构建模型的基础和关键，变量的设计将对参数的选择产生直接影响，科学合理地对变量进行计算可大大降低后期计算编程的工作量。其次，应对目标函数进行确定。相关人员应先找出符合函数条件的最优解，然后再确定约束条件，约束条件具体主要涉及到弹塑性、强度和尺寸等方面。在对建筑整体结构进行优化的时候，必须确保上述约束条件都处在规定范围内，尽可能满足设计的相关需求。3.2对计算方案进行优化设计。在建筑结构优化过程中，各方面的约束条件以及变量参数都会直接影响到优化过程。因此，在开展相关计算工作的时候，必须将所有的约束条件转化成非约束条件，保证整个优化过程的顺利完成。与此同时，还要综合考虑变量的因素，采用科学有效的计算方式对建筑结构设计加以优化。3.3程序设计。在完成计算方案优化设计的基础上，还要做好程序设计工作，首先需要对程序进行合理编写，然后再将其导入到计算机之中，为后期计算工作的开展奠定基础，在进行相关计算的时候，工作人员只需要将所需数据输入到系统之中，就可通过设定好的程序计算出准确而直观的结果。3.4结果分析。建筑结构优化设计的最后一环就是结果分析，所有计算机计算出的数据信息都需要经过详细的分析才能得出最终的结果，进而以此为依据确定最佳的优化设计方案。在开展结构优化设计工作的过程中，应对各方面的阻碍因素进行综合考虑，最大限度确保结构设计优化工作的顺利完成。对建筑工程而言，整个施工过程往往需要花费较多的人力、物力以及财力，结构优化的主要目的就是把上述指标控制在最低，并为建筑质量的可靠性提供保障。因此，在对建筑结构进行优化设计的时候，必须注意以下问题：第一，应找准建筑经济与技术之间的平衡点，尽可能降低或消除二者之间的矛盾，即使引入了一些现代化技术，也无需付出过多的成本。第二，应认识到技术所能带来的经济效益，明确技术的优化可在一定程度上降低经济成本，因此，必须加强对先进技术的应用。 4结构设计优化在房屋建筑结构设计中的具体应用 4.1整体优化和局部优化。建筑结构设计表现出明显的层次性和复杂性。首先，从层次性上来看，其主要涉及到建筑设计体系、结构体系和安装设计体系等，且上述每个体系之下还包括诸多小的分支体系。设计人员在开展建筑结构设计工作的时候，应当结合工程的具体情况以及各个分支的特点加以优化，循序渐进地解决各环节遇到的困难，进而确保整个工程的顺利完工。其次，站在复杂性的层面来看，其主要涉及到建筑原材料的选择、零部件的选择以及结构类型的确定等内容。所以，不管是哪种类型的房屋建筑，都可从整体和局部出发进行优化，最终实现建筑结构设计水平的最大化提升。4.2基础优化设计。房屋建筑的基础结构与建筑整体功能的正常发挥及其稳定性有着十分密切的联系，所以，在进行建筑基础结构设计的时候，设计人员必须注重对结构优化设计方法的运用，尽量实现对地基地质、基础结构等重点环节设计工作的全方位把控，在基础结构设计方案中，应处理好建筑基础结构与施工成本、施工技术等的关系，找准三者之间的平衡点。对于框架结构来说，应根据地质勘察报告对基础形式进行合理选择，若施工现场的地基承载力较好，则最好选择浅基础形式；若施工现场的地基承载力较差或者土质状况不佳，首先应考虑地基处理方案是否具备可行性，若可行则选用地基处理方案，若不可行则需采用桩基础。灌注桩和预制桩是两类比较常见的桩基础形式，其中，灌注桩的施工过程比较复杂，整个施工工期也比较长，且很难对施工质量进行有效控制。因此，在沉降满足相关标准的前提下，可采用预制桩施工法，利用深层桩基增大土壤对桩身的摩擦力，并尽可能选用长度较长的预制桩。4.3分阶段优化。建筑工程项目各个环节的施工都是密切联系的，且每一个环节都有着自身独特的优化设计方法。因此，在实际开展工程建设工作的时候，应坚持分阶段优化设计的原则，首先应对建筑施工建设的阶段进行合理划分，然后将不同阶段的性质作为参考依据，对建筑结构设计加以优化，同时还要注重对整个工程寿命的优化，这样才能使企业的经济效益得到进一步提升。4.4上部结构的优化。在对房屋建筑的上部结构进行优化的时候，首先应对剪力墙进行科学设置，具体而言，应让剪力墙的质量保持一定的均匀性，确保对称楼层的平面中心与同楼层的结构重心相重合，尽量降低大风、地震等外部因素带来的不良影响。在房屋类型满足标准要求的前提下，应采用大开间的剪力墙构造形式，适当增长剪力墙的墙肢，控制墙肢总数，从而节约混凝土使用量。另外，由于剪力墙的暗柱一般采用的是钢筋，这样一来，就可通过采用大开间剪力墙来降低钢筋的使用量。但是，在遇到建筑施工现场地质条件较差或者地质环境比较复杂的情况时，不能减少钢筋的数量，在这种情况下也就不适用采用大开间剪力墙的构造形式。4.5排水结构协调优化现代房屋建筑工程中往往设有给排水专用房，其中涉及到大量的机械设备，如此一来就会加大建筑的负荷量，所以，在设计的时候应尽量将水泵设置在地下室中。需要注意的一点是，由于排水房间中的管道数量非常多，且管道规格尺寸各不相同，因此，必须适当加固楼板上的穿孔位，预留出满足规范要求的孔洞，最好不要让孔洞影响到水平方向管线对建筑梁结构的贯穿。若管道需要贯穿房屋的承重墙，则还要注重加强对墙体的维护，整个排水结构优化设计中，必须处理好结构布设与管网体系的关系，以免发生管道绕梁或柱的问题。 5结语 综上所述，结构设计在房屋建筑建设过程中占据着十分重要的地位，而要使结构设计更好地满足工程建设需求，就必须积极运用结构设计优化方法，一般来说，房屋建筑结构设计优化的步骤主要为建立结构优化模型、优化计算方案、程序设计以及结果分析。从优化内容上来看，主要涉及到整体优化和局部优化、基础优化设计、分阶段优化、上部结构优化等，只有落实好上述几个方面的优化设计工作，才能使房建工程结构设计水平得到全方位提升。 第10页 共10页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页