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建筑結(jié)構設計優(yōu)化基本原則方向
結(jié)構設計的工作主要是根據(jù)建筑設計的要求，采用合理的設計理念和方法，來確定適當?shù)慕Y(jié)構形式、布置以及具體的構件設計尺寸。下面小編為大家分享建筑結(jié)構設計優(yōu)化基本原則方向，歡迎大家閱讀瀏覽。
一、建筑結(jié)構優(yōu)化設計基本原則
1.1建筑平面布置產(chǎn)生規(guī)則結(jié)構效應的原則
有規(guī)則建筑體型和平面布置的結(jié)構，因其受力較簡單，造價相對較低。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)構要求規(guī)則而對建筑師的創(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，通過對結(jié)構墻、柱的布局和墻肢長短的調(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)構的效應，同樣可以使建筑結(jié)構達到經(jīng)濟合理和安全耐用的預定目標。
1.2提高建筑舒適度原則
所謂好的建筑，應是從建筑、結(jié)構、裝飾裝修到給排水、暖通、空調(diào)、燃氣、電氣安裝等各專業(yè)的優(yōu)化設計組合，是整體優(yōu)化設計，如果僅僅是某個專業(yè)設計得好，是不可能被稱作是一個好建筑的，結(jié)構設計也不能例外的;建筑結(jié)構設計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)構優(yōu)化設計的出發(fā)點和落腳點。因此，建筑結(jié)構的優(yōu)化設計應包含結(jié)構體系的優(yōu)選、傳力途徑的科學性、構件布置的合理性、構件和材料選用的正確性等內(nèi)容;應該把盡可能提高建筑投入使用后的舒適度作為建筑結(jié)構優(yōu)化設計的一條重要基本原則。
1.3建筑結(jié)構整體安全度原則
我國早已頒布實施的《建筑抗震設計規(guī)范》(GB50011-2001)規(guī)定的抗震設計的標準是：“小震不壞，中震可修，大震不倒”，是說整個建筑結(jié)構所有構件要共同達到的目標。如果一個工程有99%的構件在大震作用下不會被破壞， 而其中有1%的構件即使在小震作用下就被破壞，導致整個建筑垮塌，那么，這個工程還能說是結(jié)構安全嗎?所以結(jié)構優(yōu)化設計應全面考慮整體建筑的每個構件，使結(jié)構體系中每個構件都具有合理的可靠性，確保整個結(jié)構體系的安全性能，確保實現(xiàn)結(jié)構設計規(guī)范規(guī)定的設計標準，達到建筑結(jié)構既安全耐用又經(jīng)濟合理的總目標。這就是結(jié)構設計應堅持的建筑結(jié)構整體安全度原則。
1.4不同構件采用不同的安全系數(shù)的結(jié)構優(yōu)化設計原則
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，最高時可提高約1.5倍。而現(xiàn)行國內(nèi)結(jié)構計算軟件卻不能準確反映現(xiàn)澆樓板的這種約束作用，因此，按力學計算結(jié)果進行結(jié)構設計的話，對現(xiàn)澆樓蓋梁而言，它的安全系數(shù)就偏高了許多。另一方面，從對出現(xiàn)垮塌事故的工程進行事故原因調(diào)查和分析可以得知，由于樓蓋或樓蓋梁的問題而導致結(jié)構破壞的工程實例極少，除非是結(jié)構計算本身有誤;從許多震害調(diào)查的工程實例中也可得知，在地震力作用下建筑倒塌的主要原因，也大多是由于墻、柱等豎向構件首先遭到破壞所致。在實際的結(jié)構設計工作中，若不考慮構件的實際承載能力，對所有構件采取相同的安全系數(shù)，就會造成建筑結(jié)構在安全性和經(jīng)濟性方面的不合理。因此，在結(jié)構設計時，對獨立構件、靜定結(jié)構和豎向構件應采用較大的安全系數(shù)，而對樓板和樓蓋梁的安全系數(shù)可予以適當降低，這樣處理既可以降低工程造價，又可提高結(jié)構的綜合安全度。
二、房屋建筑結(jié)構優(yōu)化設計的必要性
為了達到結(jié)構優(yōu)化設計的目的，工程設計人員必須在保證結(jié)構安全的前提下，通過對建筑結(jié)構的整體概念分析，采用合理的優(yōu)化設計理念和方法進行優(yōu)化設計，使得能有效地控制工程造價，滿足投資方的經(jīng)濟性要求。通過以往的優(yōu)化設計經(jīng)驗來看，相比于傳統(tǒng)的設計方法，優(yōu)化設計通常可以達到降低工程造價5%～30%的目的。但是在實際的工程設計中，很多因素都制約了優(yōu)化設計的開展和實施。比如，工程的設計進度的要求，使得設計人員根本無暇顧及到結(jié)構的優(yōu)化設計要求;再者，由于知識水平的限制，傻瓜化的設計軟件使得部分設計人員對優(yōu)化設計的理解缺乏，更談不上有效合理的優(yōu)化設計，大部分設計人員在所謂優(yōu)化設計中總著眼于局部部位而忽略了結(jié)構總體方案的設計，沒有從總體布局上考慮造價的控制。為此，為了降低工程造價的成本，提高設計人員在提高設計人員在實際工作中對優(yōu)化設計的認識和重視非常必要，只有加強技術和經(jīng)濟效益的有效結(jié)合，通過合理的優(yōu)化設計方案，才能達到創(chuàng)造更大的社會效益。
三、房屋建筑結(jié)構優(yōu)化設計的內(nèi)容
結(jié)構設計的工作主要是根據(jù)建筑設計的要求，采用合理的設計理念和方法，來確定適當?shù)慕Y(jié)構形式、布置以及具體的構件設計尺寸。對常見的鋼筋混凝土住宅結(jié)構體系進行優(yōu)化時，可以從結(jié)構整體的布局以及具體構件兩方面的因素來加以考慮。影響結(jié)構整體的布局的因素包括了建筑物的體型特征、柱網(wǎng)尺寸、層高以及抗側(cè)力構件的位置等具體構件因素主要包括結(jié)構的布置、構件的截面、混凝土和鋼筋強度等級及配筋構造等。綜合考慮兩方方面的因素影響是必須的，為了實現(xiàn)這一目標，對工程師提出了更高的要求，即需要結(jié)構工程師對結(jié)構和構件受力特征有充分的把握，能根據(jù)構件設計的合理經(jīng)驗和規(guī)范的深刻理解，采用合理優(yōu)化方法進行有效設計。
四、房屋建筑結(jié)構優(yōu)化設計的措施
4.1建筑結(jié)構形式的優(yōu)化設計
4.1.1剪力墻的設計
聯(lián)肢墻是通過連梁連接的各墻肢聯(lián)結(jié)而成，從而增加了墻肢的約束條件。連梁的剛度增大必將使得結(jié)構的地震作用也增大，這樣連梁和墻肢分配內(nèi)力也相應增大，此時必須增大構件的配筋量，顯然這一設計結(jié)果必然會造成材料的浪費。因此，在住宅結(jié)構設計時，一般情況下不宜采用大剛度的窗下墻作為連梁，而宜將連梁設計成為截面、剛度較小的弱連梁。同時，在滿足結(jié)構剛度與變形要求時，應從經(jīng)濟角度與抗力、變形方面綜合考慮，合理布置抗側(cè)力構件。顯然，剪力墻數(shù)量越多，結(jié)構抗側(cè)力剛度愈大，相應結(jié)構位移會減小，但是結(jié)構地震力會隨抗側(cè)力剛度增大而加大，對結(jié)構的造價控制不利。因此剪力墻應以周邊均勻、對稱、分散等原則合理布置，以規(guī)范規(guī)定的水平位移限值為準盡可能減少剪力墻數(shù)量。
4.1.2砌體結(jié)構的設計
作為承重構件和抗側(cè)移構件的磚砌體，其平面布置較為靈活，但不適宜做躍層結(jié)構及受力較大的突兀結(jié)構形式。門窗開洞寬度不宜超過2.1m，縱向墻體數(shù)量不宜少于三道，這一措施可以適當減少構造柱的配筋。宜使砌體房屋成為縱橫剛度相近、各層約束合理分布的空間受力體系。
4.1.3底部框架剪力墻的設計
底部框架剪力墻結(jié)構由于豎向抗側(cè)力構件不連續(xù)，使得建筑物在轉(zhuǎn)換層上下出現(xiàn)剛度、內(nèi)力和位移突變，促使部分構件提前破壞，因此對建筑物在轉(zhuǎn)換層上下的剛度比的要求比較嚴格，以緩解構件內(nèi)力、位移突變的情況。由于底部框架剪力墻結(jié)構容易出現(xiàn)剛度突變、位移突變等不規(guī)則項，在設計時應盡量避免錯層、樓板不連續(xù)、平面或豎向尺寸突變等不規(guī)則項，以免形成具有較明顯的抗震薄弱部位的特別不規(guī)則結(jié)構。承重墻盡量放在框架梁上，如果出現(xiàn)放在次梁上的墻體時，應適當加大該次梁、主梁、框架梁的安全系數(shù)，加厚該處的樓板厚度。
4.2注重細部優(yōu)化
4.2.1在注重整體設計的同時，也應加強結(jié)構局部構件的精細設計。比如現(xiàn)澆板設計中盡量把異形板劃分為矩形板，這樣既達到合理受力的目的，也避免了拐角裂縫的出現(xiàn)。
4.2.2底部框架抗震墻的底框梁箍筋配箍量一般較大，此時若選用冷軋帶肋鋼筋作為箍筋，便可減少箍筋肢數(shù)或箍筋直徑，達到降低造價的以及方便施工的目的。還有，為減少柱構件底部截面，采用高強度的混凝土是不錯的選擇，但是水平構件混凝土可適當減少混凝土的標號，滿足了受力要求，也節(jié)約了成本。
4.3結(jié)構設計軟件在優(yōu)化設計中的運用
隨著計算機技術以及結(jié)構優(yōu)化設計理論的結(jié)合，基于計算仿真的優(yōu)化設計思路已經(jīng)在工程結(jié)構設計中得到了廣泛的應用。通過利用計算機分析軟件建立優(yōu)化設計的分析模型，采用高效的計算機優(yōu)化計算方法，設立結(jié)構設計達到的目標要求，最終實現(xiàn)結(jié)構設計的優(yōu)化目的。在具體的優(yōu)化設計過程中，優(yōu)化設計實際上已經(jīng)由一個工程問題轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋�數(shù)學問題。在大型復雜結(jié)構的優(yōu)化設計中，基于這一思想的結(jié)構優(yōu)化設計方法具有其他算法無法替代的優(yōu)勢。因此，工程設計人員加強基于計算機技術的優(yōu)化設計分析非常必要。
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