淺談建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)基本原則

淺談建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)基本原則【摘要】結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)不應(yīng)僅僅在結(jié)構(gòu)本身，而是應(yīng)包括建筑的各方面，比如提高建筑空間利用率、增加建筑投入使用后的舒適度和提高建筑的經(jīng)濟(jì)效益（性價(jià)比）等，為此科學(xué)地確定建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)幾項(xiàng)基本原則并有效地按照這些基本原則去進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是非常重要的。

建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)；強(qiáng)度和穩(wěn)定性；舒適度

說到優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可能有人以為優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)嘛，只要通過受力計(jì)算，準(zhǔn)確地計(jì)算出所需的鋼筋用量和布置方式，使結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力最佳、鋼筋用量最省、功能最齊全，其實(shí)這是不對(duì)的，至少是不全面的。因?yàn)槿魏我淮苯ㄖ慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案提出之后，從結(jié)構(gòu)選型和構(gòu)件布置開始就已經(jīng)存在是否優(yōu)化的問題，再加上隨后的每一個(gè)設(shè)計(jì)程序也都需要結(jié)構(gòu)工程師去進(jìn)行精心思考、準(zhǔn)確計(jì)算和合理選用建筑材料等全過程的優(yōu)化設(shè)計(jì)，才能最終產(chǎn)生優(yōu)化的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)不應(yīng)僅僅在結(jié)構(gòu)本身，而是應(yīng)包括建筑的各方面，比如提高建筑空間利用率、增加建筑投入使用后的舒適度和提高建筑的經(jīng)濟(jì)效益（性價(jià)比）等。為此，科學(xué)地確定建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)幾項(xiàng)基本原則并有效地按照這些基本原則去進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是非常重要的。

1不規(guī)則建筑平面布置產(chǎn)生規(guī)則結(jié)構(gòu)效應(yīng)的原則

有規(guī)則建筑體型和平面布置的結(jié)構(gòu)，因其受力較簡(jiǎn)單，造價(jià)相對(duì)較低。但由于不同使用功能的需要，建筑的體型和平面布置是多種多樣的，不可能因結(jié)構(gòu)要求規(guī)則而對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師的創(chuàng)作提出無理要求，倒是可以在滿足不同使用功能的前提下，通過對(duì)結(jié)構(gòu)墻、柱的布局和墻肢長(zhǎng)短的調(diào)節(jié)，使不規(guī)則的建筑體型和平面布置產(chǎn)生規(guī)則結(jié)構(gòu)的效應(yīng)，同樣可以使建筑結(jié)構(gòu)達(dá)到經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和安全使用的預(yù)定目標(biāo)。

當(dāng)然，從理論上講，任何建筑體型都有一種相對(duì)比較規(guī)則的結(jié)構(gòu)受力方案，因?yàn)楫?dāng)建筑體型確定以后，整體建筑的形心和質(zhì)量中心（重心）就也確定了，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)時(shí)只要使結(jié)構(gòu)的荷載中心和剛度中心盡可能地接近乃至重合，該建筑結(jié)構(gòu)就基本具備了穩(wěn)定和規(guī)則性的條件，而且，樓層平面面積越大，內(nèi)部可分隔的空間越多，就越能做到規(guī)則的結(jié)構(gòu)布置，建筑結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和安全度就越有保障。從力學(xué)觀點(diǎn)來說，結(jié)構(gòu)的荷載傳遞路徑應(yīng)力求簡(jiǎn)單和直接。建筑結(jié)構(gòu)中空間關(guān)系較復(fù)雜的部位，在設(shè)計(jì)時(shí)常會(huì)出現(xiàn)多次轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，猶如轉(zhuǎn)換層，這樣，會(huì)導(dǎo)致造價(jià)提高，也容易發(fā)生因失穩(wěn)而引起的安全問題。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的傳力途徑有多種多樣，其支撐構(gòu)件也可根據(jù)傳力需要按科學(xué)、合理的方案進(jìn)行變換，因此，可以說沒有固定不變的結(jié)構(gòu)布置，也沒有一成不變的傳力途徑。而如果設(shè)計(jì)師采用最直接、最簡(jiǎn)單的傳力途徑，就可以省去許多中間傳遞的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，從而也可減少結(jié)構(gòu)的安全隱患，使結(jié)構(gòu)受力更明確，材料更省，其造價(jià)自然也會(huì)更低些。

2盡可能提高建筑投入使用后的舒適度原則

所謂好的建筑，應(yīng)是從建筑、結(jié)構(gòu)、裝飾裝修到給排水、暖通、空調(diào)、燃?xì)?、電氣安裝等各專業(yè)的優(yōu)化設(shè)計(jì)組合，是整體優(yōu)化設(shè)計(jì)，如果僅僅是某個(gè)專業(yè)設(shè)計(jì)得好，是不可能被稱作是一個(gè)好建筑的，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也不能例外的，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要能最大程度地滿足建筑平面布置、內(nèi)部空間高度和建筑立面等使用功能和外形觀感的要求，投入使用后，使用戶在工作和生活中感到很舒適，使建筑真正成為人人贊美的好建筑，這才是建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)。因此，建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)包含結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)選、傳力途徑的科學(xué)性、構(gòu)件布置的合理性、構(gòu)件和材料選用的正確性等內(nèi)容。我們應(yīng)該把盡可能提高建筑投入使用后的舒適度作為建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的一條重要基本原則。

3建筑結(jié)構(gòu)整體安全度原則

我國(guó)早已頒布實(shí)施的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2001）規(guī)定的抗震設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)是：“小震不壞，中震可修，大震不倒”，是說整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)所有構(gòu)件要共同達(dá)到的目標(biāo)。如果一個(gè)工程有99%的構(gòu)件在大震作用下不會(huì)被破壞，而其中有1%的構(gòu)件即使在小震作用下就被破壞，導(dǎo)致整個(gè)建筑垮塌，那么，這個(gè)工程還能說是結(jié)構(gòu)安全嗎？所以我們認(rèn)為，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)全面考慮整體建筑的每個(gè)構(gòu)件，都具有可靠的承載能力，確保整個(gè)結(jié)構(gòu)安全度的可靠性，確保實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到建筑結(jié)構(gòu)既安全又經(jīng)濟(jì)耐久的總目標(biāo)。這就是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)堅(jiān)持的建筑結(jié)構(gòu)整體安全度原則。

4特殊情況重點(diǎn)加強(qiáng)，確保結(jié)構(gòu)整體安全原則

結(jié)構(gòu)構(gòu)件在建筑中所處部位不同，其受力狀態(tài)和受力大小不同，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)有不同的計(jì)算和處理方案，應(yīng)逐個(gè)予以正確地解決，而不能機(jī)械地按規(guī)范條文和電算軟件去處理。比如，高層建筑的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)構(gòu)件，當(dāng)墻、梁、柱構(gòu)件出現(xiàn)偏心時(shí)，應(yīng)對(duì)相關(guān)構(gòu)件作出特別加強(qiáng)構(gòu)造措施；而功能復(fù)雜的綜合性建筑，當(dāng)剪力墻上洞口較多時(shí)，應(yīng)根據(jù)錯(cuò)洞情況用暗柱予以特別加強(qiáng)；一字形剪力墻兩端應(yīng)采取較大截面的暗柱作特別加強(qiáng)；框架柱應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)其延性設(shè)計(jì)；對(duì)異形柱應(yīng)對(duì)其長(zhǎng)肢端部作加強(qiáng)處理；靜定結(jié)構(gòu)的構(gòu)件應(yīng)加大其安全儲(chǔ)備；大懸臂梁、板構(gòu)件則應(yīng)增加在豎向地震力和風(fēng)荷作用下強(qiáng)度及穩(wěn)定性設(shè)計(jì)；非結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件應(yīng)加強(qiáng)連接構(gòu)造，以增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性；受水土侵蝕影響的構(gòu)件應(yīng)充分考慮水土的侵蝕作用對(duì)構(gòu)件的影響力大小，以便采取相應(yīng)的抵御措施；不設(shè)后澆帶的超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)和高低懸殊結(jié)構(gòu)應(yīng)采取特別措施處理，以確保結(jié)構(gòu)的整體安全等等。

5對(duì)不同構(gòu)件采用不同的安全系數(shù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)原則

無數(shù)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)證明：由于現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板的約束作用，可以在很大程度上提高樓蓋梁的承載能力，最高時(shí)可提高約1.5倍。而現(xiàn)行國(guó)內(nèi)結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件卻不能準(zhǔn)確反映現(xiàn)澆樓板的這種約束作用，一方面，按力學(xué)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的話，對(duì)現(xiàn)澆樓蓋梁而言，它的安全系數(shù)就偏高了許多。另一方面，從對(duì)出現(xiàn)垮塌事故的工程進(jìn)行事故原因調(diào)查和分析可以得知，由于樓蓋或樓蓋梁的問題而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的工程實(shí)例極少，除非是結(jié)構(gòu)計(jì)算本身有誤。從許多震害調(diào)查的工程實(shí)例中也可得知，在地震力作用下建筑倒塌的主要原因，也大多是由于墻、柱等豎向構(gòu)件首先遭到破壞所致。而結(jié)構(gòu)工程師為確保建筑的整體安全，往往不分構(gòu)件的實(shí)際承載能力，對(duì)所有構(gòu)件均給予相同的安全系數(shù)，這就是造成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理的重要原因。因此，我們認(rèn)為在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)獨(dú)立構(gòu)件、靜定結(jié)構(gòu)和豎向構(gòu)件應(yīng)采用較大的安全系數(shù)，而對(duì)樓板和樓蓋梁的安全系數(shù)可予以適當(dāng)降低，這樣處理既可以降低工程造價(jià)，又可提高結(jié)構(gòu)的綜合安全度。

6關(guān)注實(shí)際結(jié)構(gòu)與計(jì)算模型不同的原則

一般來講，電腦可按輸入的程序作計(jì)算，但它不會(huì)做分析，如果結(jié)構(gòu)工程師想依賴電腦將它的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的話，會(huì)給結(jié)構(gòu)留下較多的隱患。現(xiàn)行應(yīng)用軟件中墻板構(gòu)件是通過假定來實(shí)現(xiàn)的，它在某種特定結(jié)構(gòu)布局下是不符合假定條件的，這樣的電算結(jié)果是容易出現(xiàn)問題的。因此，除了整體電算需要人工調(diào)整外，很多手算的局部構(gòu)件也存在同樣的問題，可見實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)與計(jì)算模型是不一樣的，設(shè)計(jì)時(shí)務(wù)必要特別予以關(guān)注。

7降低結(jié)構(gòu)造價(jià)原則

建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的最終目的，就是要使設(shè)計(jì)出來的結(jié)構(gòu)不僅各個(gè)構(gòu)件受力均衡，技術(shù)應(yīng)用科學(xué)、合理，而且結(jié)構(gòu)整體安全、可靠，每一個(gè)構(gòu)件都能充分發(fā)揮其最大作用，這樣才能使設(shè)計(jì)出來的建筑結(jié)構(gòu)最終達(dá)到既受力均衡、堅(jiān)固耐久，又經(jīng)濟(jì)、合理和安全可靠的目的。由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是在滿足建筑