建筑结构设计中的数字化应用

简述了结构设计中数字化应用的意义，通过几个案例展示了结构设计中数字化应用的情景和思路，最后总结了结构设计中符合数据思维的数字化应用的核心思想。

数据思维; 建筑结构设计; 数字化应用

TU201.4 A

［定稿日期］2022-07-12

［作者简介］邱贤波（1985—），男，硕士，工程师，长期从事建筑结构设计工作。

21世纪是互联网时代，是知识经济时代，随着各学科和计算机技术快速发展，正在高速进入数字化时代。以互联网+、物联网、大数据应用为代表的新经济的提出，各行各业竞相进行数字化改革和发展，数字化已成为新的时代发展主题和趋势。为融入数字化时代的发展趋势，作为新时代的建筑结构设计的技术人员应当具备数据思维［1］。

1 建筑结构设计中的数字化应用

在建筑结构设计时，设计人员在结构布置与选型上，要满足相应的规范和概念设计的原则［2-4］，保证结构的安全合理，通过相关专家的评审。对于业主来说，结构设计能合理地降低土建部分的造价或满足更有利的使用功能，就相当于是为项目创造了附加价值。根据数据思维的方法论，结合结构设计的经验，采用一定的数据分析方法，能兼顾上述2个目标，做出保证安全、经济适用的结构设计方案，既能提升建筑结构的效用，也有助于建筑工程节能减排。以下将结合具体的案例情景，展示结构方案的数字化应用思路。

2 应用案例

2.1 案例一

某项目单层地下室，经过前期与业主的讨论沟通和分析比较，综合考虑经济性和舒适性，已确定结构方案：采用8.1 m×（7.8 m+8.1 m）组合大柱网，楼盖采用加腋梁+加腋大板形式，除梁的纵筋采用四级钢外，其余钢筋均采用三级钢。现针对此楼盖形式进行构件的精细化设计分析，以比选出从经验出发并满足规范要求的最优构件截面组合。根据经验，选定了几种加腋大板和加腋梁的常用尺寸，然后按构件尺寸并有侧重地进行组合确定各对比方案，分别计算各方案并统计结构材料量，通过编写程序，从各方案的计算模型文件夹里的相应文件中快速读取混凝土用量、三级钢用量、四级钢用量，再将这些数据分别剩上业主提供材料单价，除以试算结构面积，便可得到各方案的单位面积下结构材料成本价格用于比选。各方案基于同一个计算模型来修改构件尺寸，保证同等条件下的可对比性，在Excel中对各方案得出的数据进行分析，最终通过图表可以很直观地呈现最优比选方案，如图1～图3所示。此方法同样适用于其他拟定结构方案条件下的经济性比选分析。

2.2 案例二

某项目一典型框架核心筒的商业+酒店综合楼，经试算可知外圈框架柱截面尺寸为轴压比控制。为了减小对建筑使用空间的占用，也保证第二道抗震防线的有效性，柱截面从底层至顶层可采取据层高及功能分段（4层及以上为一段）逐步收小，概念上柱收小截面的起始层要避免混凝土强度同时变小，柱截面收小至最小尺寸限值后不再收小。按位置对称或受力情况相似的柱进行分组，通过编写程序，可从计算模型文件夹里的相应文件中读出各组代表柱的尺寸、轴压比、剪跨比、混凝土等级、抗震等级等，对这些数据进行迭代反算可得出更接近于受限轴压比的柱截面尺寸，然后按迭代计算所得柱尺寸修改计算模型再计算，反复几次即可得出满足计算要求的各分段优化柱尺寸，如图4、图5所示。因柱截面变化内力调整重分配有个别柱截面轴压比较小超限时可采用加密箍筋来提高轴压比限值要满足规范要求，这样可以保证柱尺寸统一，便对建筑使用条件统一，增大建筑使用面积。此方法同样适用于低设防烈度地区剪力墙长度受轴压比控制时的墙长优化分析。

2.3 案例三

某项目一高层剪力墙结构，因建筑方案及业主要求，结构布置要满足使用上大空间使用或未来隔墙打通改造的要求，因项目处于非高烈度区，楼层数不多，满足建筑功能要求后的剪力墙布置以轴压比控制为主，地震作用下的位移角有较多富余。為兼顾经济性要求，在结构平面布置已确定条件下，重新调整优化剪力墙的布置，在满足其他各项计算指标的前提下，对比3个剪力墙布置方案的经济性和位移指标，如图6、图7所示。在满足各项计算指标条件下，重点调整优化某一计算指标，同时对比经济性数据，以达到优选出满足规范要求并兼顾经济性要求的结构布置方案的综合目标。此方法同样适用于超限分析或专项分析时各种计算指标的统计分析。

3 结束语

从以上案例可以看出：结合以往丰富的项目结构设计的经验，可以找出对结构设计方案各目标影响重大的关键数据；利用高效便捷的数据分析方法，可以快速分析得出具体项目条件下的方案性结论。符合数据思维的数字化应用需要符合2点：①能找出核心影响因素X与价值目标Y之间的联系，把问题变成数据可分析问题；②采用各种数据分析办法，做出可操作性强的数据分析的产品化成果。结构设计过程中不缺乏数据，结构有限元分析计算模型、计算分析结果、构件设计验算等会产生大量数据，有未来发展趋势的BIM模型中也含有大量数据（更多用于各专业各环节数据的整合与共享），有了丰富的数据才为数据分析创造了条件。但要提出目标评价指标、找出关联的核心影响因素数据并不容易，需要结合业主的材料采购，施工方法、时间进度管控、项目结构特点、场地情况等众多因素综合考虑，这要求设计人员要有丰富的设计经验和乐于探索的精神。有了这些关键数据后，就可以借助于各种数据分析方法（如：回归分析、深度学习、人工智能等）进行数据分析了。会进行分析还不够，在高速发展的互联网时代背景下，还需要设计人员有一定的编程能力［5］，会编写一些便捷适用的程序或软件，做出可操作的快速的批量的数字化应用成果，实现工程项目提效增益的商业价值，从而一步步推动建筑设计行业的数字化发展。

需要强调的是，不同于第三方优化咨询和计算机辅助优化工具，本文所述结构方案设计优化数字化应用更注重发挥作为设计主体责任人的设计人员的知识经验和主观能动性，是一种主动的更灵活的一般性结构设计数字化应用思路，笔者认为这更符合未来常态化的数字化应用的发展趋势。

参考文献

［1］ 王汉生. 数据思维［M］. 北京：中国人民大学出版社，2017.

［2］ 混凝土结构设计规范： GB50010-2010（2015年版）［M］. 北京：中国建筑工业出版社，2015.

［3］ 建筑抗震设计规范： GB50011-2010（2016年版）［M］. 北京：中国建筑工业出版社，2016.

［4］ 高层建筑混凝土结构技术规程： JGJ3-2010［M］. 北京：中国建筑工业出版社，2010.

［5］ 罗刚君.Excel VBA程序开发自学宝典（第2版）［M］.北京：电子工业出版社，2011.