探究结构优化设计在建筑工程设计中的意义和应用*

王 波

(甘肃土木工程科学研究院有限公司 兰州 730020)

新的社会经济发展形势背景下,为提高建筑工程的质量和水平,设计人员需积极优化整体建筑结构,促使建筑工程项目更加安全、稳定、美观,并且充分满足各方需求。设计建筑工程项目过程中,设计人员应积极优化整体结构设计工作,系统考量如何形成更完善的设计体系,提高建筑结构设计效果。

1 建筑结构优化设计方法概述

所谓建筑结构优化设计的方法,具体指的是设计人员在系统考虑施工便利的基础上,融入美学、艺术学内容,并考虑房屋功能、建设目的等内容的结构设计方法。

设计人员在进行结构设计时,需要选择外形比较美观与安全的相关方案模型[1],进而提高建筑工程质量水平,以此逐渐达到提高建筑安全性、美观性并控制建设成本的目的。设计人员在开展建筑结构设计的相关工作时,应优选建筑结构优化设计方式,其具体内容,如图1所示。

图1 建筑结构优化方案模式

建筑结构优化设计方法的特点包含如下:一是该方式融合了各个学科,包含的知识面整体较广泛;二是结构设计方法对建筑外形的美观性提出了比较高的要求;三是根据此方法建设出来的建筑物质量安全系数比较高;四是相对节能环保,可充分满足建筑经济性的相关要求,逐渐达到保护环境的目的;五是设计思路比较新颖,并且结构形式也比较创新。由此可知,对比传统的设计方式,结构设计优化方法的优势非常显著,因此设计人员应应积极将其应用并推广到建筑结构设计中。

2 我国建筑工程结构设计现状

目前,我国建筑结构优化设计取得了较好的成绩,但是在部分建筑结构优化设计过程中,难免出现成本超预算、过于追求设计而忽略建筑美观性的问题,例如部分工程项目的设计的周期比较短,而设计的任务又十分繁杂,因此部分设计人员只得将注意力集中到设计图纸、方案预编方面,在一定程度上忽视了工程施工成本的预算。还有一部分设计人员,虽然会考虑工程成本的相关问题,但因为使用的设计方案不符合成本控制的要求,也会直接导致控制效果变差;部分设计人员比较关注设计美观性,较忽视建筑舒适度的设计,由此不但会降低建筑应用性,甚至会对整体结构稳定性、安全性等造成显著的不良影响。而因为施工人员大多是农民工,专业素质相对不高,在施工建设时需无法严谨依据规范要求进行施工,由此致使房屋建筑结构的抗震性、施工强度等较低,甚至对建筑结构部件负荷承载能力等造成不良影响,使得整体工程结构设计标准无法和规范要求保持一致。另外,结构设计方案合理与否始终都是科研人员、工程师们重点关注的内容,但因为两个群体研究问题的出发点、研究方法与思维等的差异,导致理论研究与工程具体需求无法完全吻合,导致判断结构设计方案是否合理的标准不统一、缺乏实操性等[2]。

3 建筑结构设计的意义

为满足人们的生活与工作需求,建筑应具备多种功能。随着社会经济的不断发展进步,人们的物质生活水平也在日渐提高,无论是民用建筑还是工业建筑都面临着较高的建设要求,由此也对建筑工程设计提出了比较高的要求。建筑功能性主要通过建筑方案体现出来,结构方案则是决定建筑方案是否可行的根本条件,两者之间的关系是相互制约与促进的。只有保证二者协调统一,才可设计出优秀的设计方案。设计人员在进行结构设计时,需综合考量气候环境、地质条件等,利用科学的结构体系、构件布置等,逐步达到建筑想要表达的最终效果。而结构设计优化则是在建筑与结构互相成就的基础上,获得更多的可能性,实现建筑与结构的整体统一和优化(见图2)。

图2 某外墙结构优化设计

目前,民用建筑与工业建筑结构的类型主要包括钢混结构、混凝土结构、钢结构、砌体结构等。建筑行业在不断发展进步,建筑设计企业的整体竞争力也日渐增强,为尽可能在激烈化的市场竞争中形成发展优势,相关单位要积极推动建筑结构的优化设计,以此不断提高建筑物的新意,并且保证其性价比的合理性,由此实现建筑行业的良性发展。在目前建筑行业的转型发展环节中,实现建筑结构的优化是非常关键途径之一,有利于提高工程质量,达到建筑行业高质量发展建设目标。工程质量是结构设计的重要基础条件,为逐步实现建筑行业的优化改革发展,需要设计人员在改善设计方法的基础上,创建坚实的建筑行业发展基础。

4 结构优化设计在建筑工程设计中的应用措施

4.1 优化结构设计方案

4.1.1 结构整体布局的优化

建筑形体需求与功能布置为结构整体布局设定了宏观层面的需求,但这无法限制结构整体布局多样性,相同的建筑方案可适用于各种结构方案。但要有效发挥结构整体布局灵活性,需从点到线,再到面,从各个角度形成对建筑方案内在逻辑的深层次理解,之后有的放矢选择合理的结构承重体系、抗侧力体系等,合理设置结构的特殊承载部位,逐步实现整个结构与局部构件在承载中的统一。

4.1.2 优化结构材料的选用

结构的材料性质将会直接影响构件的强度、刚度、稳定性等,因此在选择材料之时,需基于构件受力性质决定。常规受力水平的构件,需使用对应标号的混凝土、对应强度的钢材。单体建筑结构体量日渐增加,建筑的耐候要求也在不断提高,因此其对构件承载能力、抵抗变形的能力、抵抗外界侵蚀能力的要求也更高,随之出现了高强混凝土、超高性能混凝土、超高强度钢材等各种力学性能、物理性能优异的结构材料。因此在进行结构设计时,设计人员需系统考虑构件的设计力学性能需求,对应位置要使用相对应的材料,发挥材料作用,以此提高材料的整体利用率。

4.2 制定科学的成本控制计划

房屋建筑工程结构较复杂化,并且参与工程的企业数量也比较多,结构设计包含各个企业的效益,基于此,设计人员需就宏观角度切入,对各个细节及要点进行合理控制,将可能对工程进度、费用控制等产生的影响降到最低。建筑工程开展结构优化设计环节时,需依据建筑地形的具体状况,选出最优化的建筑形式,以此达到充分控制结构施工埋深、截面尺寸等的目的,以此降低结构建造可能需要投入的费用[3]。

4.3 提高结构布局与审美层次

在对建筑工程进行优化设计时,设计人员需基于房屋建筑的具体状况,对建筑结构中的不足之处客观分析,之后合理优化设计方向,提高建筑结构在设计方案中的性能,将外力影响降到最低。对建筑结构安全性产生影响的外力因素主要是地震,基于此,在开展结构优化设计的相关工作时,设计人员需将抗震性能作为设计的主要切入点,将提高结构抗震性能作为主要目的,以此形成更科学与专业的抗震设计方案。

4.4 安全性优化方面

对建筑结构设计而言,安全性是其中需重点考虑的特点之一,其对之后的施工活动、房屋建筑使用等十分必要。若是不重视安全性的保障,则会导致整体房屋建筑结构缺乏安全性,甚至可能产生各种无法预料的损失。对一个建筑来说,其中可能包含各种构件,并且构件相互之间也有一定的联系与支撑。构件本身若是具有高度牢固性,则有能力抵御外界环境带来的影响,令建筑结构延展性得到保证,实现对外力的转移与疏散,令建筑结构更加安全。

建筑对抗震性能的要求整体而言比较高,若是无法满足抗震的相关要求,一旦出现地震就可能导致严重的人员伤亡与财产损失。因此可知,在开展建筑结构设计工作时,设计人员应设计科学的建筑结构设计方案,促使建筑有足够的抗震能力。对建筑结构而言,各个构建承载力标准不一,在实际的结构设计方面,需进行合理的分析,依据建筑荷载变化的具体情况进行调整[4]。基于建筑的性能与特点,就安全性角度进行深入分析,让建筑结构更加合理与安全。

5 建筑结构优化设计注意事项

5.1 前期设计阶段

所有工程项目在进入设计、施工的环节后,相关设计单位需积极做好各项准备工作,建筑结构优化设计也不例外。正式推行建筑设计作业之前,设计单位应做好各项准备工作,对建筑工程中的各种因素进行及时整合,令其渗透到结构设计中去,在充分实现建筑结构优化设计能效强化的基础上,逐渐发展形成建筑结构设计的较强控制力,这对后续施工作业的顺利开展比较方便,有助控制施工成本。不仅如此,设计人员还需形成较科学与合理的建筑结构设计方案,充分展现规划要点的前提下,展现建筑结构设计的优化要点。另一方面,设计人员应重新设计结构设计中出现的不足之处,尽可能规避建筑工程结构设计中的各种潜在风险问题,促使建筑结构设计更加有效。

5.2 内部建筑结构优化为侧重点

建筑结构的设计环节中,设计人员须把建筑结构设计看做整体,重视关注外部结构设计的同时,深入研究内部结构设计工作,以此为基础条件开展设计作业,令其逐渐落实到具体的设计工作中,客观衡量各个施工项目适用标准,保证整体协调性的前提下,推动各施工项目达标。例如,设计现浇板时,设计人员应严格分析浇板具体受力指标,并且对各个要素进行客观衡量,逐步设计整体优化水准的同时,保证施工效率,降低出现质量缺陷等问题的概率。

5.3 充分优化结构细部

设计人员应将建筑主体设计设定在重点范畴,重视关注结构基本构建,持续提高设计精细化程度。例如,在建筑施工环节中,矩形现浇板块设计发挥出了重要作用,设计人员应在设计过程中持续丰富考量内容,促使设计更加全面的同时,避免出现裂缝问题。随着社会信息化技术应用范围的不断拓宽,计算机在各个行业与领域发挥出了重要作用,设计人员需充分衔接计算机技术、设计理念,在不断解决优化设计中的各种问题的基础上,推动工程问题转向数学问题。同时,设计人员要积极迎合时代发展步伐,不断优化自我,培养锻炼自己的计算机技术水平,以此才可掌握更多的优化设计方法[5]。

6 结语

综上所述,建筑工程和人们的工作、生活存在非常紧密的联系,设计人员应不断提高建筑的设计质量,逐步提高建筑结构设计水平,在有效控制建筑施工成本的同时,实现建筑整体结构设计优化。