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建筑結構的優化設計基本原則

日期: 2015-09-18
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、建筑結構優化設計基本原則

  1.1建筑平面布置產生規則結構效應的原則

  有規則建筑體型和平面布置的結構,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,不可能因結構要求規則而對建筑師的創作提出無理要求,倒是可以在滿足不同使用功能的前提下,通過對結構墻、柱的布局和墻肢長短的調節,使不規則的建筑體型和平面布置產生規則結構的效應,同樣可以使建筑結構達到經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、結構、裝飾裝修到給排水、暖通、空調、燃氣、電氣安裝等各專業的優化設計組合,是整體優化設計,如果僅僅是某個專業設計得好,是不可能被稱作是一個好建筑的,結構設計也不能例外的;建筑結構設計要能最大程度地滿足建筑平面布置、內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,這才是建筑結構優化設計的出發點和落腳點。因此,建筑結構的優化設計應包含結構體系的優選、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構優化設計的一條重要基本原則。

  1.3建筑結構整體安全度原則

  我國早已頒布實施的《建筑抗震設計規范》(GB50011-2001)規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構安全嗎?所以結構優化設計應全面考慮整體建筑的每個構件,使結構體系中每個構件都具有合理的可靠性,確保整個結構體系的安全性能,確保實現結構設計規范規定的設計標準,達到建筑結構既安全耐用又經濟合理的總目標。這就是結構設計應堅持的建筑結構整體安全度原則。

  1.4不同構件采用不同的安全系數的結構優化設計原則

由于現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。而現行國內結構計算軟件卻不能準確反映現澆樓板的這種約束作用,因此,按力學計算結果進行結構設計的話,對現澆樓蓋梁而言,它的安全系數就偏高了許多。另一方面,從對出現垮塌事故的工程進行事故原因調查和分析可以得知,由于樓蓋或樓蓋梁的問題而導致結構破壞的工程實例極少,除非是結構計算本身有誤;從許多震害調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,就會造成建筑結構在安全性和經濟性方面的不合理。因此,在結構設計時,對獨立構件、靜定結構和豎向構件應采用較大的安全系數,而對樓板和樓蓋梁的安全系數可予以適當降低,這樣處理既可以降低工程造價,又可提高結構的綜合安全度。

、房屋建筑結構優化設計的必要性

為了達到結構優化設計的目的,工程設計人員必須在保證結構安全的前提下,通過對建筑結構的整體概念分析,采用合理的優化設計理念和方法進行優化設計,使得能有效地控制工程造價,滿足投資方的經濟性要求。通過以往的優化設計經驗來看,相比于傳統的設計方法,優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構的優化設計要求;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化設計的理解缺乏,更談不上有效合理的優化設計,大部分設計人員在所謂優化設計中總著眼于局部部位而忽略了結構總體方案的設計,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化設計的認識和重視非常必要,只有加強技術和經濟效益的有效結合,通過合理的優化設計方案,才能達到創造更大的社會效益。

、房屋建筑結構優化設計的內容

  結構設計的工作主要是根據建筑設計的要求,采用合理的設計理念和方法,來確定適當的結構形式、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構體系進行優化時,可以從結構整體的布局以及具體構件兩方面的因素來加以考慮。影響結構整體的布局的因素包括了建筑物的體型特征、柱網尺寸、層高以及抗側力構件的位置等具體構件因素主要包括結構的布置、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,為了實現這一目標,對工程師提出了更高的要求,即需要結構工程師對結構和構件受力特征有充分的把握,能根據構件設計的合理經驗和規范的深刻理解,采用合理優化方法進行有效設計。

  3、房屋建筑結構優化設計的措施

  3.1建筑結構形式的優化設計

  3.1.1剪力墻的設計

  聯肢墻是通過連梁連接的各墻肢聯結而成,從而增加了墻肢的約束條件。連梁的剛度增大必將使得結構的地震作用也增大,這樣連梁和墻肢分配內力也相應增大,此時必須增大構件的配筋量,顯然這一設計結果必然會造成材料的浪費。因此,在住宅結構設計時,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,在滿足結構剛度與變形要求時,應從經濟角度與抗力、變形方面綜合考慮,合理布置抗側力構件。顯然,剪力墻數量越多,結構抗側力剛度愈大,相應結構位移會減小,但是結構地震力會隨抗側力剛度增大而加大,對結構的造價控制不利。因此剪力墻應以周邊均勻、對稱、分散等原則合理布置,以規范規定的水平位移限值為準盡可能減少剪力墻數量。

  3.1.2砌體結構的設計

  作為承重構件和抗側移構件的磚砌體,其平面布置較為靈活,但不適宜做躍層結構及受力較大的突兀結構形式。門窗開洞寬度不宜超過2.1m,縱向墻體數量不宜少于三道,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。

  3.1.3底部框架剪力墻的設計

  底部框架剪力墻結構由于豎向抗側力構件不連續,使得建筑物在轉換層上下出現剛度、內力和位移突變,促使部分構件提前破壞,因此對建筑物在轉換層上下的剛度比的要求比較嚴格,以緩解構件內力、位移突變的情況。由于底部框架剪力墻結構容易出現剛度突變、位移突變等不規則項,在設計時應盡量避免錯層、樓板不連續、平面或豎向尺寸突變等不規則項,以免形成具有較明顯的抗震薄弱部位的特別不規則結構。承重墻盡量放在框架梁上,如果出現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,加厚該處的樓板厚度。

  3.2注重細部優化

  3.2.1在注重整體設計的同時,也應加強結構局部構件的精細設計。比如現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。

  3.2.2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,也節約了成本。

  3.3結構設計軟件在優化設計中的運用

隨著計算機技術以及結構優化設計理論的結合,基于計算仿真的優化設計思路已經在工程結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化設計的分析模型,采用高效的計算機優化計算方法,設立結構設計達到的目標要求,最終實現結構設計的優化目的。在具體的優化設計過程中,優化設計實際上已經由一個工程問題轉變為一個數學問題。在大型復雜結構的優化設計中,基于這一思想的結構優化設計方法具有其他算法無法替代的優勢。因此,工程設計人員加強基于計算機技術的優化設計分析非常必要。

、結語

從理論上講,任何建筑體型都有一種相對比較規則的結構受力方案,因為當建筑體型確定以后,整體建筑的形心和質量中心就也確定了,結構設計師在設計時只要使結構的荷載中心和剛度中心盡可能地接近乃至重合,該建筑結構就基本具備了穩定和規則性的條件,通過從整體和細部的優化設計,采用合理的結構形式和布置,優化構件設計和構造,使得建筑結構符合安全耐用和經濟合理的要求。

(本文僅限學習交流,轉載結構優化設計的博客http://blog.sina.com.cn/ilmawa


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