張耀

(山西省建筑材料工業(yè)設(shè)計研究院有限公司，山西 太原 030001)

隨著人們對建筑結(jié)構(gòu)性能和可持續(xù)發(fā)展的要求不斷提高，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化成為建筑領(lǐng)域的重要課題。通過合理選擇結(jié)構(gòu)形式、優(yōu)化材料使用以及優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)等策略，可以提升建筑結(jié)構(gòu)的效能，降低資源消耗，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標。本文旨在探討建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的策略和方法，為建筑行業(yè)提供有益的參考。

1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的意義

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化對于實現(xiàn)建筑的安全、經(jīng)濟、可持續(xù)、舒適和美學(xué)等方面的目標至關(guān)重要。它使建筑能夠更好地適應(yīng)環(huán)境、滿足功能需求，并為人們營造舒適、安全和美好的生活空間。其具體意義包括：1)安全性：通過結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，可以確保建筑在受力情況下具有足夠的強度和穩(wěn)定性，以抵御自然災(zāi)害(如地震、風(fēng)暴等)和人為事故(如火災(zāi))的影響，保護建筑內(nèi)外的人員安全。2)經(jīng)濟性：結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化可以降低建筑的建造成本。通過合理的結(jié)構(gòu)布局和材料選擇，減少不必要的材料使用和施工復(fù)雜性，從而實現(xiàn)節(jié)約成本的目標。3)可持續(xù)性：優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以減少對資源的消耗，降低建筑的能源消耗和碳排放。例如，采用輕質(zhì)材料、高效的隔熱和保溫系統(tǒng)，可以改善建筑的能效性能，從而降低對空調(diào)和供暖系統(tǒng)的依賴。4)舒適度和體驗：結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化可以提供更好的室內(nèi)環(huán)境和使用者體驗。例如，合理的空間布局和支撐系統(tǒng)可以提供更大的開放空間和自由度，優(yōu)化采光和通風(fēng)設(shè)計可以改善室內(nèi)舒適度，提高使用者的生活質(zhì)量。5)創(chuàng)意和美學(xué)：結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化還可以實現(xiàn)建筑的創(chuàng)意和美學(xué)效果。通過合理的結(jié)構(gòu)構(gòu)造和形式塑造，可以打造獨特的建筑形象和空間體驗，提升建筑的藝術(shù)價值和吸引力。

2 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化應(yīng)遵循的原則

在進行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化時，應(yīng)遵循以下原則：1)安全性原則：確保建筑結(jié)構(gòu)具備足夠的強度和穩(wěn)定性，以滿足建筑在正常使用和極端情況下(例如自然災(zāi)害)的安全要求。2)經(jīng)濟性原則：通過合理的結(jié)構(gòu)布局和材料選擇，優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，降低建筑的建造成本?？刂平Y(jié)構(gòu)重量、減少材料浪費和施工復(fù)雜性等都是經(jīng)濟性原則的考慮因素。3)可持續(xù)性原則：關(guān)注建筑的環(huán)境影響，從設(shè)計階段就考慮減少能源消耗和碳排放，采用可持續(xù)材料和系統(tǒng)，提高能效性能。4)功能性原則：結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)根據(jù)建筑的功能需求來進行優(yōu)化。結(jié)構(gòu)布局和系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)符合建筑功能的要求，滿足使用者的需求并提供良好的室內(nèi)環(huán)境。5)美學(xué)原則：結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)與建筑整體風(fēng)格和意圖相協(xié)調(diào)，追求美觀和獨特的形式塑造。結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)件的設(shè)計可以作為建筑的視覺特點，并與其他設(shè)計元素相互配合。6)可維護性原則：優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)考慮建筑的維護和保養(yǎng)要求。易于檢修、替換和維護的結(jié)構(gòu)布局和構(gòu)件設(shè)計，有助于延長建筑的使用壽命，并降低維護成本。7)創(chuàng)新原則：在結(jié)構(gòu)設(shè)計中鼓勵創(chuàng)新和探索新的解決方案。結(jié)構(gòu)工程師可以利用新材料、新技術(shù)和新方法來提出更高效、更可持續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

3 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化策略

3.1 結(jié)構(gòu)分析與模擬

結(jié)構(gòu)分析與模擬是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化中非常重要的一項策略。結(jié)構(gòu)分析的主要流程包括：1)收集輸入數(shù)據(jù)：收集建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計所需的輸入數(shù)據(jù)，包括建筑的幾何形狀、材料屬性、荷載條件等。確保數(shù)據(jù)的準確性和完整性。2)選擇合適的結(jié)構(gòu)分析軟件：根據(jù)具體需求選擇適合的結(jié)構(gòu)分析軟件，如有限元分析軟件、離散元分析軟件等。確保軟件具備適當?shù)墓δ堋⒎€(wěn)定性和可靠性。3)建立結(jié)構(gòu)模型：根據(jù)建筑的幾何形狀和材料特性，在結(jié)構(gòu)分析軟件中建立準確的結(jié)構(gòu)模型。包括建筑的梁、柱、墻等構(gòu)件的幾何參數(shù)、連接方式等[1]。4)施加荷載條件：根據(jù)實際情況，將適當?shù)暮奢d條件施加到結(jié)構(gòu)模型上。這包括建筑自重、使用荷載、風(fēng)荷載、地震荷載等。需要根據(jù)相關(guān)規(guī)范和設(shè)計標準進行荷載的計算和設(shè)定。5)進行力學(xué)分析和模擬：使用結(jié)構(gòu)分析軟件進行力學(xué)分析和模擬。通過求解結(jié)構(gòu)的靜力或動力方程，得出結(jié)構(gòu)的受力分布、位移響應(yīng)、應(yīng)力和變形等結(jié)果。

3.2 材料選擇與優(yōu)化

材料選擇與優(yōu)化需要充分考慮結(jié)構(gòu)需求、可行性和可靠性等方面，并綜合權(quán)衡各種因素。以下是一些具體的策略和考慮因素：1)力學(xué)性能：選擇具有良好力學(xué)性能的材料，能夠滿足結(jié)構(gòu)的強度、剛度和穩(wěn)定性要求。比如，對于梁和柱等受壓構(gòu)件，選擇具有較高抗壓性能的材料；對于承受拉力的構(gòu)件，選擇具有良好抗拉性能的材料。2)耐久性：考慮材料在長期使用和不同環(huán)境條件下的耐久性。例如，對于室外建筑結(jié)構(gòu)，需選擇具有良好抗氧化、耐腐蝕和耐候性能的材料，以確保結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性和安全性。3)可持續(xù)性：注重選擇具有較好可持續(xù)性的材料，以減少資源消耗和環(huán)境影響。包括使用回收材料、可再生材料或具有低碳排放的材料。4)成本效益：考慮材料的成本效益，以在預(yù)算范圍內(nèi)實現(xiàn)最佳的結(jié)構(gòu)設(shè)計。評估材料價格、使用量和維護成本等因素，找到經(jīng)濟合理的材料選擇方案。5)材料分布優(yōu)化：針對不同結(jié)構(gòu)部位和受力情況，優(yōu)化材料的使用量和分布，以提高結(jié)構(gòu)效率。通過合理分配材料，減少不必要的浪費并提高性能。6)結(jié)構(gòu)與材料協(xié)同設(shè)計：在進行材料選擇和優(yōu)化時，與結(jié)構(gòu)設(shè)計緊密協(xié)同工作。確保材料的性能與結(jié)構(gòu)的要求相匹配，并避免材料與結(jié)構(gòu)之間的矛盾和沖突[2]。7)使用先進材料技術(shù)：了解和利用最新的先進材料技術(shù)，如纖維增強復(fù)合材料、高性能混凝土等，可以提供更輕、更強和更耐久的材料選擇。8)結(jié)合多種材料：通過結(jié)合不同材料的優(yōu)點，形成復(fù)合材料或材料組合，以滿足更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)需求。

3.3 結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化

結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中重要的一環(huán)，結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化需要考慮以下因素：1)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)選擇：根據(jù)建筑的功能、大小和使用要求，選擇適合的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。常見的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)包括框架結(jié)構(gòu)、框剪結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)等。每種結(jié)構(gòu)系統(tǒng)都有其獨特的受力傳遞方式和性能特點，需要根據(jù)具體情況進行選擇。2)受力路徑優(yōu)化：通過調(diào)整結(jié)構(gòu)的布局和形式，使受力路徑更為合理和直接，從而提高結(jié)構(gòu)的承載能力和穩(wěn)定性。例如，在框架結(jié)構(gòu)中，合理設(shè)置框架節(jié)點，使力能夠有效地傳遞到地基，減小結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力集中[3]。3)抗震設(shè)防：在地震區(qū)域，抗震性能是結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要考慮因素之一。通過采用適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式和加強抗震構(gòu)造措施，提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。例如，在框架結(jié)構(gòu)中增加剪力墻或使用鋼結(jié)構(gòu)提高整體的剛度和韌性。4)空間利用優(yōu)化：通過合理布置結(jié)構(gòu)構(gòu)件和采用高效的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，最大限度地利用空間，提高建筑的使用效率。例如，使用懸挑結(jié)構(gòu)或空間桁架結(jié)構(gòu)，可以減少柱子和墻體的占用空間，增加室內(nèi)活動空間。5)材料利用優(yōu)化：根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的特點，選擇適當?shù)牟牧?，?yōu)化材料的使用和分布。例如，在懸挑結(jié)構(gòu)中，采用輕質(zhì)高強度材料，減少結(jié)構(gòu)自重，提高結(jié)構(gòu)的承載能力。6)可持續(xù)性考慮：在結(jié)構(gòu)形式設(shè)計中，注重可持續(xù)性和環(huán)境友好性。選擇可再生材料、低碳材料，并盡量減少建筑材料的浪費和能源消耗。7)結(jié)構(gòu)模擬與優(yōu)化：借助計算機輔助設(shè)計工具，進行結(jié)構(gòu)模擬和優(yōu)化。通過建立結(jié)構(gòu)數(shù)值模型，利用有限元分析等方法，評估不同結(jié)構(gòu)形式的性能，并進行優(yōu)化設(shè)計。

3.4 集成設(shè)計方法

集成設(shè)計方法是一種綜合考慮建筑結(jié)構(gòu)與其他專業(yè)設(shè)計要素的方法，旨在優(yōu)化建筑整體性能和功能。集成設(shè)計方法包括：1)初期協(xié)同：在建筑設(shè)計的初期階段，建筑師、結(jié)構(gòu)工程師、機電工程師等專業(yè)人員應(yīng)進行密切合作。共同討論和確定建筑需求、功能和空間布局，確保建筑結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計與整體設(shè)計目標相一致。2)跨學(xué)科交流：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，不同專業(yè)人員之間應(yīng)進行頻繁的溝通和交流。例如，結(jié)構(gòu)工程師與建筑師可以就結(jié)構(gòu)形式和空間布局進行討論，機電工程師與結(jié)構(gòu)工程師可以就設(shè)備布置和荷載傳遞進行協(xié)商。通過跨學(xué)科的合作，確保各個設(shè)計要素的有效整合。3)整體優(yōu)化：在集成設(shè)計中，需要將結(jié)構(gòu)設(shè)計與建筑功能和性能目標相統(tǒng)一，并進行整體優(yōu)化。例如，考慮建筑的使用需求和空間靈活性，結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)具備足夠的承載能力和空間布局靈活性。4)綠色建筑考慮：在集成設(shè)計中，注重綠色建筑的原則和目標。建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)針對能源效率、可持續(xù)性和環(huán)境友好性進行設(shè)計，與機電系統(tǒng)和建筑圍護結(jié)構(gòu)協(xié)同工作，實現(xiàn)整體的節(jié)能和環(huán)保效果。5)BIM技術(shù)應(yīng)用：采用建筑信息模型(BIM)技術(shù)，實現(xiàn)建筑設(shè)計各專業(yè)之間的集成和協(xié)同工作。通過BIM軟件，不同專業(yè)人員可以在一個共享的平臺上進行設(shè)計和模擬，及時交流和反饋，提高設(shè)計的效率和質(zhì)量。6)風(fēng)險評估：在集成設(shè)計過程中，應(yīng)對潛在的風(fēng)險進行評估和管理。例如，結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)考慮地震、風(fēng)載和其他荷載的影響，與安全專家合作進行結(jié)構(gòu)安全評估和風(fēng)險控制[4]。

3.5 參數(shù)優(yōu)化

參數(shù)優(yōu)化是結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)。通過調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計中的參數(shù)，可以使結(jié)構(gòu)性能達到最佳狀態(tài)。參數(shù)包括但不限于構(gòu)件尺寸、截面形狀和連接方式等。參數(shù)優(yōu)化的目標通常包括以下幾個方面：1)輕量化：通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，減少材料的使用量，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化。輕量化可以減小結(jié)構(gòu)自重，降低地震荷載和風(fēng)荷載對結(jié)構(gòu)的影響，從而提高結(jié)構(gòu)的安全性和抗災(zāi)能力[5]。2)剛度提高：通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以調(diào)整結(jié)構(gòu)的剛度，使其滿足設(shè)計要求。剛度是指結(jié)構(gòu)在受力時的變形能力，剛度越高，結(jié)構(gòu)的變形越小，對荷載的響應(yīng)能力越強。剛度的提高可以改善結(jié)構(gòu)的使用性能，如減小振動、提高穩(wěn)定性等。3)成本降低：通過參數(shù)優(yōu)化，可以降低結(jié)構(gòu)的材料使用量和施工工藝難度，從而實現(xiàn)成本的降低。成本的降低是一個重要的經(jīng)濟指標，能夠提高工程項目的競爭力和可持續(xù)發(fā)展能力。在實際應(yīng)用中，參數(shù)優(yōu)化需要兼顧結(jié)構(gòu)的安全性、經(jīng)濟性和施工可行性。安全性是首要考慮的因素，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)必須滿足設(shè)計規(guī)范和標準要求，能夠承受設(shè)計荷載并保持穩(wěn)定。經(jīng)濟性是指在滿足安全性和使用性能的前提下，盡量減少材料和施工成本。施工可行性是指優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)在實際施工中能夠順利進行，沒有過多的施工難度和限制。為了進行參數(shù)優(yōu)化，常用的方法包括經(jīng)驗公式、數(shù)值模型和優(yōu)化算法等。經(jīng)驗公式適用于簡單的問題，數(shù)值模型可以通過有限元分析等數(shù)值方法進行求解，而優(yōu)化算法則可以自動搜索最優(yōu)解。優(yōu)化算法包括傳統(tǒng)的試錯法和現(xiàn)代的智能優(yōu)化算法，如遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法等。通過參數(shù)優(yōu)化，可以使結(jié)構(gòu)設(shè)計更加科學(xué)和高效，達到最佳的性能和經(jīng)濟效益。

3.6 以高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計為例

比如以高層住宅樓的結(jié)構(gòu)設(shè)計案例進行詳細說明：1)結(jié)構(gòu)分析與模擬：首先，對高層建筑的荷載情況進行分析。這包括垂直荷載(自重、使用荷載)和水平荷載(風(fēng)荷載、地震荷載)等。使用結(jié)構(gòu)分析軟件(如ANSYS、ETABS等)進行有限元分析，模擬不同加載情況下的應(yīng)力、位移、振動等狀態(tài)。結(jié)合建筑的使用要求和相關(guān)規(guī)范，評估結(jié)構(gòu)的安全性、承載能力和穩(wěn)定性。2)材料選擇與優(yōu)化：根據(jù)結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果和設(shè)計要求，在材料選擇上進行優(yōu)化。主要結(jié)構(gòu)材料可以選擇高強度混凝土或鋼材等，以滿足對強度、剛度和耐久性的要求。考慮使用玻璃幕墻等輕質(zhì)材料，減輕整體結(jié)構(gòu)的重量，同時提供更好的采光和景觀效果。3)結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化：在結(jié)構(gòu)形式上，選擇適合高層建筑的結(jié)構(gòu)形式。良好的結(jié)構(gòu)形式能夠提供足夠的剛度和穩(wěn)定性，并能有效抵御水平荷載。根據(jù)具體情況，可以采用鋼結(jié)構(gòu)中心支撐、偏心支撐結(jié)構(gòu)或混凝土框剪、框筒結(jié)構(gòu)等進一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式，必要時也可考慮減隔震，減少地震作用對結(jié)構(gòu)主體帶來的不利影響。4)集成設(shè)計方法：采用集成設(shè)計方法，將結(jié)構(gòu)設(shè)計與其他專業(yè)設(shè)計相結(jié)合，確保結(jié)構(gòu)與建筑的協(xié)調(diào)。在建筑設(shè)計階段，與建筑師、機電工程師等進行密切的溝通和協(xié)作，合理安排空間需求，并考慮結(jié)構(gòu)對建筑功能的支持。在設(shè)計過程中，通過設(shè)計軟件和信息共享平臺，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計信息的集成，確保各專業(yè)之間的數(shù)據(jù)和信息的傳遞和共享。5)參數(shù)優(yōu)化：進行參數(shù)優(yōu)化，以提高結(jié)構(gòu)的性能和效率。通過優(yōu)化梁柱截面形狀和尺寸、樓板厚度等參數(shù)，降低材料使用量和工程成本，同時滿足結(jié)構(gòu)的強度和剛度要求。運用結(jié)構(gòu)形態(tài)優(yōu)化算法和優(yōu)化工具，快速評估不同參數(shù)組合的性能，找到最優(yōu)解。

4 結(jié)語

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化是建筑領(lǐng)域的一個重要研究方向，通過合理的策略和方法，可以實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化和資源的高效利用。本文對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的相關(guān)策略進行了綜合分析和總結(jié)，包括結(jié)構(gòu)形式選擇、材料選用和參數(shù)優(yōu)化等方面。希望通過本文的研究，為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計和建筑領(lǐng)域的相關(guān)研究提供一些有價值的思路和方法，推動建筑行業(yè)向著更加可持續(xù)的方向發(fā)展。