建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用研究

文/刘杰斌 北京华茂中天建筑设计有限公司 北京 100080

1、概述

随着我国经济的飞速发展以及国家对建筑行业节约资源和环保节能的战略要求，人们对建筑业提出了较高的要求：从单纯的建筑使用功能和审美需求，到建筑建造过程中更严格的资源、成本、节能控制，以及投入使用期间建筑内部的舒适性、实用性及强体验性。因此，建筑结构设计除了满足建筑承载能力要求外，合理的利用新材料新工艺，充分优化建筑结构的布置，实现即经济又美观、节能的现代建筑理念。

2、建筑结构设计优化的基本方法和目标

首先，从技术角度来实现建筑结构设计的优化。建筑结构设计的核心在于概念设计，因此结构的优化设计也必须从概念设计出发，充分研究具体建筑形态的力学性能，通过合理的结构抗力构件平面布置来达到良好的抗震抗风性能目标。

其次，从建筑新材料应用的角度实现建筑结构设计优化。针对不同的建筑形式和功能布局，采用与之匹配的建筑材料，实现建筑经济性和节能性的目标。

再次，从施工工艺选择的角度实现建筑结构设计优化。综合考虑施工工期、成本及配合难度等多方面因素，选择合理的施工工艺，实现建筑的经济性、环保性的目标。

3、建筑结构设计优化在房屋结构设计中的具体应用

3.1 建筑结构设计优化必须从概念设计着手

结构设计注重概念设计，因此结构设计优化也应该从结构概念优化开始，针对不同的结构形式，结构概念设计优化有如下应用：

（1）在框架结构中，通过合理的柱网布置

来协调框架柱和梁截面。在低烈度区，通过轴压比的控制来选定柱截面尺寸及柱距；在高烈度区，综合考虑抗震烈度影响和结构静力承载的平衡来确定柱跨布置和梁板分配。

（2）在剪力墙结构中，竖向构件的布置应遵循简单、规则，分布均匀等原则。抗侧力构件的均匀布置，使结构平面成为一种剪力墙围合成的“筒式”布置，避免局部出现抗侧力的薄弱点。抗侧力构件的布置还要综合考虑建筑层数、抗震烈度、风荷载作用下起控制作用的荷载等因素，确定剪力墙的截面、长度和疏密。

在考虑结构平面布置同时，结构的竖向刚度分配对结构承载能力也有较大的影响。结构竖向布置时，应尽量避免刚度突变产生薄弱层等不利因素，同时要合理考虑结构影响范围内的竖向构件的刚度贡献，如在考虑地下室顶板作为嵌固端的问题时，也应考虑顶板周边范围内的人防墙和地下室外墙的刚度贡献。

3.2 建筑结构设计优化必须结合项目的具体情况进行

（1）在桩基础选型时，除了根据项目的土层分布以及房屋的楼层数量外，还应该根据项目情况，充分考虑业主的施工进度要求和桩基础施工难易程度的要求。

（2）在基坑支护设计优化时，除了考虑相关的技术指标外，我们还应考虑项目的施工季节性特点，通过合理的施工组织设计合理避开对工程不利的季节。同时根据项目所在地不同的交通情况，合理选择基坑支护方案的形式。

（3）地下室顶板应该根据其柱跨和板面的覆土厚度来考虑其梁的布置方式：不布置次梁、布置十字型次梁、布置井字梁。柱跨在6米以内可以选择采用大板形式，即仅沿柱跨布置框架梁，跨中不布置次梁，既能发挥厚板的看弯性能又能避免消防车荷载过大；柱跨在6～8米范围内，可以采用布置十字交叉次梁的形式来划分板跨；柱跨大于8米时，可以采用“井字”布置次梁，次梁传给框架主梁的集中荷载均在柱跨的1/3处，能有效控制框架的弯矩，从而避免跨度较大导致框架梁截面过大。

3.3 建筑结构设计优化还要注重新材料和新工艺的使用。

随着我们科技的大力创新，建筑行业的新材料和新工艺也是日新月异。

（1）墙体荷载是高层建筑的一个重要荷载。建筑结构设计优化时可以选择加气混凝土砌块作为墙体材料，其强度、保温性能和自重等各方面均优于传统的墙体材料。

（2）桩基础的施工工艺方面，旋挖桩的出现大大缩短了钻孔灌注桩的施工工期，在保证质量的同时，节省了桩基础的施工成本。

4、优化设计中需要注意的问题

建筑结构在进行优化设计的过程中，要注意一些问题。首先必须概念清晰，能够有把握地找出结构的关键部位所在处，必要时要进行性能化分析强化关键部位，使结构具有较强的抗力支撑体系。其次优化设计一定要做到荷载考虑全面，注意兼顾建筑结构中的影响因素，对各种工况的作用要仔细分析，设计计算时应按照科学合理的参数、采用各种工况的包络值，以帮助实现数据的准确性和完整性。再次结构优化设计，应该从大局出发，注意各个结构部分的协调性与统一性，避免出现为了优化某个构件而改变大面积的结构布置，应兼顾结构方案优化显现和建筑功能的有序排布，发挥出合理化的作用。

总结：

建筑结构优化设计至关重要，因此，设计师应该进行合理规划，这不仅有利于提高工作效率，更重要的是节约成本，设计师能合理利用空间结构进行设计，有利于提高业主满意度，同时能帮助进行合理规划、节约资源。