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淺談建筑結構優化設計基本原則

發表于:2019-05-14 來源:中國鋼結構網   瀏覽次數:

  說到優化建筑結構設計,可能有人以為優化結構設計嘛,只要通過受力計算,準確地計算出所需的鋼筋用量和布置方式,使結構構件受力最佳、鋼筋用量最省、功能最齊全,其實這是不對的,至少是不全面的。因為任何一幢建筑的結構設計方案提出之后,從結構選型和構件布置開始就已經存在是否優化的問題,再加上隨后的每一個設計程序也都需要結構工程師去進行精心思考、準確計算和合理選用建筑材料等全過程的優化設計,才能最終產生優化的結構。結構優化設計不應僅僅在結構本身,而是應包括建筑的各方面,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濟效益(性價比)等。為此,科學地確定建筑結構優化設計幾項基本原則并有效地按照這些基本原則去進行建筑結構設計,是非常重要的。

  1不規則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結構設計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結構和安全使用的預定目標。

  當然,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(重心)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,而且,樓層平面面積越大,內部可分隔的空間越多,就越能做到規則的結構布置,建筑結構的整體穩定性和安全度就越有保障。從力學觀點來說,結構的荷載傳遞路徑應力求簡單和直接。建筑結構中空間關系較復雜的部位,在設計時常會出現多次轉換的結構構件,猶如轉換層,這樣,會導致造價提高,也容易發生因失穩而引起的安全問題。結構構件的傳力途徑有多種多樣,其支撐構件也可根據傳力需要按科學、合理的方案進行變換,因此,可以說沒有固定不變的結構布置,也沒有一成不變的傳力途徑。而如果設計師采用最直接、最簡單的傳力途徑,就可以省去許多中間傳遞的結構構件,從而也可減少結構的安全隱患,使結構受力更明確,材料更省,其造價自然也會更低些。

  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。我們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。

  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?所以我們認為,結構優化設計應全面考慮整體建筑的每個構件,都具有可靠的承載能力,確保整個結構安全度的可靠性,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又經濟耐久的總目標。這就是結構設計應堅持的建筑結構整體安全度原則。

  4特殊情況重點加強,確保結構整體安全原則

  結構構件在建筑中所處部位不同,其受力狀態和受力大小不同,結構設計師在設計時應有不同的計算和處理方案,應逐個予以正確地解決,而不能機械地按規范條文和電算軟件去處理。比如,高層建筑的轉換層結構構件,當墻、梁、柱構件出現偏心時,應對相關構件作出特別加強構造措施;而功能復雜的綜合性建筑,當剪力墻上洞口較多時,應根據錯洞情況用暗柱予以特別加強;一字形剪力墻兩端應采取較大截面的暗柱作特別加強;框架柱應重點加強其延性設計;對異形柱應對其長肢端部作加強處理;靜定結構的構件應加大其安全儲備;大懸臂梁、板構件則應增加在豎向地震力和風荷作用下強度及穩定性設計;非結構受力構件應加強連接構造,以增強建筑結構整體穩定性;受水土侵蝕影響的構件應充分考慮水土的侵蝕作用對構件的影響力大小,以便采取相應的抵御措施;不設后澆帶的超長結構和高低懸殊結構應采取特別措施處理,以確保結構的整體安全等等。

  5對不同構件采用不同的安全系數的結構優化設計原則

  無數結構試驗證明: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,一方面,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。而結構工程師為確保建筑的整體安全,往往不分構件的實際承載能力,對所有構件均給予相同的安全系數,這就是造成結構設計不合理的重要原因。因此,我們認為在結構設計時,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。

  6關注實際結構與計算模型不同的原則

  一般來講,電腦可按輸入的程序作計算,但它不會做分析,如果結構工程師想依賴電腦將它的計算結果進行結構分析的話,會給結構留下較多的隱患。現行應用軟件中墻板構件是通過假定來實現的,它在某種特定結構布局下是不符合假定條件的,這樣的電算結果是容易出現問題的。因此,除了整體電算需要人工調整外,很多手算的局部構件也存在同樣的問題,可見實際結構的受力狀態與計算模型是不一樣的,設計時務必要特別予以關注。

  7降低結構造價原則

  建筑結構優化設計的最終目的,就是要使設計出來的結構不僅各個構件受力均衡,技術應用科學、合理,而且結構整體安全、可靠,每一個構件都能充分發揮其最大作用,這樣才能使設計出來的建筑結構最終達到既受力均衡、堅固耐久,又經濟、合理和安全可靠的目的。由于結構設計的主要任務是在滿足建筑使用功能的前提下,確保建筑投入使用后的安全性和舒適度,使其具有更強的生命力,而結構造價在建筑產品中的比重很大,通過精心思考后的優化設計能給建筑產品帶來可觀的經濟效益,這也是辦一切事業的基本出發點和落腳點。結構工程師在對建筑結構優化設計時,務必要把降低結構造價當作重要的基本原則來予以重視,千萬不可掉以輕心。

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