浅谈结构优化在建筑设计中的重要性

时间:2014-02-10 22:37:57

【摘要】摘　要：我国经济急速发展，城市与农村建设中房屋结构也在不断更新、完善，实行建筑结构的优化设计不仅可以节省造价成本，而且可以发扬新技

 摘　要：我国经济急速发展，城市与农村建设中房屋结构也在不断更新、完善，实行建筑结构的优化设计不仅可以节省造价成本，而且可以发扬新技术、提高建筑安全系数。而且随着国内建筑业的发展，人们对建筑的美观实用性的要求越来越高，我们要尽可能的使建筑具有实用性的同时给人以美的感受，这就需要使建筑的结构优化 ，设计的水平直接影响着建筑物的经济性、适用性和安全性。建筑结构成本在整个工程项目中占有很大比例，优质的结构设计不仅可以确保房屋的居住使用安全性，而且能够降低建设成本，进而获得最大的经济效益。

     关键词：建筑结构设计 结构优化 重要性 具体应用

    一、结构优化的重要性

    随着人口的不断增长和经济的高速发展，土地资源的利用越来越紧张，未来高层建筑和地下工程会成为一种建筑趋势，而建造这些都会花费大量的资金，如果对这些进行结构的优化设计，将会节约很多的建筑成本。投资者们也日益关注建设成本如何最低化，使用结构设计优化技术能够实现建筑成本的最低化。若想实现结构优化的目的，工程设计人员首先以建筑的安全性为基础，然后理性分析建筑方案，融合与之相适宜的设计理念以及方法，实现对工程造价的有效控制，以符合投资者的经济要求约用地。大量资料表明，，房屋建筑进行结构设计优化能够有效降低工程成本 25% 左右，同时结构优化设计技术能够对施工材料的性能利用更加合理化，能够让建筑工程结构内部各个不同单元之间更加充分互协调，提升了建筑工程结构设计的经济性。可是，现在当前还有很多的因素阻碍了结构的设计优化。比如，开发商过多地追求利益和缩短工期使得结构设计优化不能够进行，还有经验不足的设计的人员不具备很多的专业素养不知道怎样进行结构设计优化。建筑结构设计优化技术在房屋结构设计中的应用 ，可以达到“物美价廉”的效果，不但实现了房屋的美观、实用，而且在节省造价方面也有突出的效果。每一个开发商都希望，在满足建筑结构长远效益的前提下，最大程度地减少建筑结构的近期投资，同时保证建筑物结构的可靠度和科学合理性。如此，才能实现可持续发展，实现更多、更大的市场收益。同时它还可为建筑整体性方案设计进行合理的决策，优化技术是实现建筑设计“适用、经济和安全”目标的有效途径。建筑的层高增加，钢筋混泥土的用量增加，结构的自重会增加，基础和柱的承载力相应增加，地基的承载能力要加大，设备和电气的管线会加长，抗震能力降低，但是对于其上部结构而言，所有的下部建筑都是公用其上部结构，可降低上部结构的相对造价。建筑面积相同，建筑使用不同的平面形状时，它的外墙周长也就会不同，这样当平面选择圆形或是越接近于方形时，外墙周长系数就越小，基础、外墙砌体、内外表面装修都随之减少，同时其受力性能也更加合理，增强了建筑的经济性能。

    二、结构优化的具体应用

    （一）结构优化于结构概念设计中结构是建筑物的基本受力骨架。工业建筑、居住建筑、公共建筑或某些奇特的建筑构筑物，它们都必须承受自重、外部荷载的作用（活荷载、风荷载、雪荷载、地震作用）变形作用（温度变化引起的变形、地基沉降、结构材料的收缩和徐变变形）以及环境作用。结构在设计中要满足最基本的功能要求：可靠、适用、耐久，以及在偶然事故中破坏后依然能够保持整体的稳定性。概念设计阶段的目的是提出和斟酌整个场地规划、使用活动相互关系以及建筑形式方案。为此，设计者必须将注意力集中与场地各部分的基本利用、空间组织，并且运用象征性方法确定具体形式。这意味着，在方案设计阶段，设计者首先要按照基本的功能和空间的关系设想和模拟一个抽象的建筑物和构思概念设计，然后对这个抽象的总体空间形式的内含进行探讨。这个过程需要结构的构思进行配合。往往是设计人员先提出一个初步的构思，再和结构设计师进行配合共同进行合理的方案设计。结构的概念有很多，例如：基本受力状态、材料对结构的影响、构件尺度的概念、结构受力后的变形和预应力等等。设计者应将优化结构的知识融合于建筑设计中，从建筑物的整体出发来确定其所受到的力，把握其整体性，而不是注重细部而忽略整体。材料的选择对建筑物在承受同样的荷载下会发生不同的变形，例如石材和混泥土，它的抗压强度就远远小于其抗压强度，当拉应力超过其抗拉强度时就会开裂破坏。而配有钢筋的混泥土破坏有塑性破坏、脆性破坏、少筋梁破坏，不同形式的破坏其变形的形式不同，对于杆件还要考虑到它的稳定性。合理的结构选型能够使得材料发挥其最大作用，例如，现代热轧工字钢作为受弯构件，较厚的弯曲翼缘主要承受弯曲正应力，空心的圆管无论受弯、受扭、受剪都比较合理，而较大形式的构件宜采用桁架形式受力较为合理等。施加预应力能够提高构件的承载力，并且不会使构件失稳。

    将各种先进的优化技术与建筑物的多种性能组织在一起，实现最优化的集合。

    （二）结构优化运用于结构体系中结构的总体系可分为水平体系和竖向体系，在各种荷载作用下，他们不仅直接承受荷载而且借助相互之间的可靠连接形成总结构体系，以便更好地抵抗外荷载。结构的水平体系不仅直接承受作用在其上的竖向荷载，通过竖向把弯、剪荷载传递给竖向结构体系（如框架）。在水平荷载作用下，水平结构体系把水平荷载传递给竖向结构体系，并且还能够起到协调各竖向体系侧移的作用。结构的竖向体系直接承受竖向荷载并且将它传递给地基，在水平荷载的作用下，竖向结构体系是重要的抗侧移结构。设计工业厂房中常常以屋架和屋面板作为水平结构体系，还要设置一系列的支撑系统以抵抗各种可能出现的荷载，增强各屋盖结构构件之间的联系，共同形成合理的水平结构体系。对于小跨度，我们可以选择平板体系，混泥土的平板强度较弱，但材料便宜，配以少量的钢筋或预应力钢材，则可经济地适当增加跨度。对于板的开间接近方形时，可在两个方向的板的板边都设置梁，实际上形成的板所有都是四边简支的，可实现双向的利用作用。对于承受较大的总荷载时我们可以选择主次梁体系，这种由单向构件连接的楼盖体系较轻，并能保证较大的柱间距以满足使用功能。如果需要非常大的空间净跨面积上设计楼盖和屋盖，可用空间桁架体系用沿一个方向跨越柱间的桁架来作为主要承重构件，然后在这些大的桁架之间再设置与其垂直的较小的桁架。结构的竖向分体系主要有墙体系、竖向井筒、梁柱框架。

    墙体系适用于室内空间和尺度都相对固定的建筑物，考虑到抗扭转时我们可以采用剪力墙，尽量布置比较规则、拉通、对直。井筒是空间的结构，在各个方向上都有很大的刚度和承载力，通常用作竖向设施或者服务通道。对于较大竖向荷载会引起较大的局部变形以及内力重分布，宜选择框架结构，因为它能够将柱和横梁连成整体，共同作用，抵抗外部荷载。

    参考文献：
    [1] 邱君华 . 结构设计优化技术在房屋结构设计中的应用分析 [J]. 城市建筑 ,2013,06:53-54.

    [2] 杨晓钰 . 房屋结构设计中优化技术的运用 [J]. 现代装饰 ( 理论 ),2012,08:111.

    [3] 陶小林 , 杨杨 . 浅谈房屋建筑结构设计中的应用优化技术 [J]. 科技创新与应用 ,2013,16:264.

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