浅谈建筑结构优化设计基本原则

     结构优化设计不应仅仅在结构本身,而是应包括建筑的各方面,比如提高建筑空间利用率、增加建筑投入使用后的舒适度和提高建筑的经济效益(性价比)等,为此科学地确定建筑结构优化设计几项基本原则并有效地按照这些基本原则去进行建筑结构设计,是非常重的。 
关键词建筑结构优化设计;强度和稳定性;舒适度 
说到优化建筑结构设计,可能有人以为优化结构设计嘛,只通过受力计算,准确地计算出所需的钢筋用量和布置方式,使结构构件受力最佳、钢筋用量最省、功能最齐全,其实这是不对的,至少是不全面的。因为任何一幢建筑的结构设计方案提出之后,从结构选型和构件布置开始就已经存在是否优化的问题,再加上随后的每一个设计程序也都需结构工程师去进行精心思考、准确计算和合理选用建筑材料等全过程的优化设计,才能最终产生优化的结构。结构优化设计不应仅仅在结构本身,而是应包括建筑的各方面,比如提高建筑空间利用率、增加建筑投入使用后的舒适度和提高建筑的经济效益(性价比)等。为此,科学地确定建筑结构优化设计几项基本原则并有效地按照这些基本原则去进行建筑结构设计,是非常重的。 
1 不规则建筑平面布置产生规则结构效应的原则 
有规则建筑体型和平面布置的结构,因其受力较简单,造价相对较低。但由于不同使用功能的需,建筑的体型和平面布置是多种多样的,不可能因结构求规则而对结构设计师的创作提出无理求,倒是可以在满足不同使用功能的前提下,通过对结构墙、柱的布局和墙肢长短的调节,使不规则的建筑体型和平面布置产生规则结构的效应,同样可以使建筑结构达到经济结构和安全使用的预定目标。 
当然,从理论上讲,任何建筑体型都有一种相对比较规则的结构受力方案,因为当建筑体型确定以后,整体建筑的形心和质量中心(重心)就也确定了,结构设计师在设计时只使结构的荷载中心和刚度中心尽可能地接近乃至重合,该建筑结构就基本具备了稳定和规则性的条件,而且,楼层平面面积越大,内部可分隔的空间越多,就越能做到规则的结构布置,建筑结构的整体稳定性和安全度就越有保障。从力学观点来说,结构的荷载传递路径应力求简单和直接。建筑结构中空间关系较复杂的部位,在设计时常会出现多次转换的结构构件,犹如转换层,这样,会导致造价提高,也容易发生因失稳而引起的安全问题。结构构件的传力途径有多种多样,其支撑构件也可根据传力需按科学、合理的方案进行变换,因此,可以说没有固定不变的结构布置,也没有一成不变的传力途径。而如果设计师采用最直接、最简单的传力途径,就可以省去许多中间传递的结构构件,从而也可减少结构的安全隐患,使结构受力更明确,材料更省,其造价自然也会更低些。 
2 尽可能提高建筑投入使用后的舒适度原则 
所谓好的建筑,应是从建筑、结构、装饰装修到给排水、暖通、空调、燃气、电气安装等各专业的优化设计组合,是整体优化设计,如果仅仅是某个专业设计得好,是不可能被称作是一个好建筑的,结构设计也不能例外的,建筑结构设计能最大程度地满足建筑平面布置、内部空间高度和建筑立面等使用功能和外形观感的求,投入使用后,使用户在工作和生活中感到很舒适,使建筑真正成为人人赞美的好建筑,这才是建筑结构优化设计的出发点和落脚点。因此,建筑结构的优化设计应包含结构体系的优选、传力途径的科学性、构件布置的合理性、构件和材料选用的正确性等内容。我们应该把尽可能提高建筑投入使用后的舒适度作为建筑结构优化设计的一条重基本原则。 
3 建筑结构整体安全度原则 
我国早已颁布实施的《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)规定的抗震设计的标准是“小震不坏,中震可修,大震不倒”,是说整个建筑结构所有构件共同达到的目标。如果一个工程有99%的构件在大震作用下不会被破坏,而其中有1%的构件即使在小震作用下就被破坏,导致整个建筑垮塌,那么,这个工程还能说是结构安全吗?所以我们认为,结构优化设计应全面考虑整体建筑的每个构件,都具有可靠的承载能力,确保整个结构安全度的可靠性,确保实现结构设计规范规定的设计标准,达到建筑结构既安全又经济耐久的总目标。这就是结构设计应坚持的建筑结构整体安全度原则。 
4 特殊情况重点加强,确保结构整体安全原则 
结构构件在建筑中所处部位不同,其受力状态和受力大小不同,结构设计师在设计时应有不同的计算和处理方案,应逐个予以正确地解决,而不能机械地按规范条文和电算软件去处理。比如,高层建筑的转换层结构构件,当墙、梁、柱构件出现偏心时,应对相关构件作出特别加强构造措施;而功能复杂的综合性建筑,当剪力墙上洞口较多时,应根据错洞情况用暗柱予以特别加强;一字形剪力墙两端应采取较大截面的暗柱作特别加强;框架柱应重点加强其延性设计;对异形柱应对其长肢端部作加强处理;静定结构的构件应加大其安全储备;大悬臂梁、板构件则应增加在竖向地震力和风荷作用下强度及稳定性设计;非结构受力构件应加强连接构造,以增强建筑结构整体稳定性;受水土侵蚀影响的构件应充分考虑水土的侵蚀作用对构件的影响力大小,以便采取相应的抵御措施;不设后浇带的超长结构和高低悬殊结构应采取特别措施处理,以确保结构的整体安全等等。 
5 对不同构件采用不同的安全系数的结构优化设计原则 
无数结构试验证明由于现浇钢筋混凝土楼板的约束作用,可以在很大程度上提高楼盖梁的承载能力,最高时可提高约1.5倍。而现行国内结构计算软件却不能准确反映现浇楼板的这种约束作用,一方面,按力学计算结果进行结构设计的话,对现浇楼盖梁而言,它的安全系数就偏高了许多。另一方面,从对出现垮塌事故的工程进行事故原因调查和分析可以得知,由于楼盖或楼盖梁的问题而导致结构破坏的工程实例极少,除非是结构计算本身有误。从许多震害调查的工程实例中也可得知,在地震力作用下建筑倒塌的主原因,也大多是由于墙、柱等竖向构件首先遭到破坏所致。而结构工程师为确保建筑的整体安全,往往不分构件的实际承载能力,对所有构件均给予相同的安全系数,这就是造成结构设计不合理的重原因。因此,我们认为在结构设计时,对独立构件、静定结构和竖向构件应采用较大的安全系数,而对楼板和楼盖梁的安全系数可予以适当降低,这样处理既可以降低工程造价,又可提高结构的综合安全度。 
6 关注实际结构与计算模型不同的原则 
一般来讲,电脑可按输入的程序作计算,但它不会做分析,如果结构工程师想依赖电脑将它的计算结果进行结构分析的话,会给结构留下较多的隐患。现行应用软件中墙板构件是通过假定来实现的,它在某种特定结构布局下是不符合假定条件的,这样的电算结果是容易出现问题的。因此,除了整体电算需人工调整外,很多手算的局部构件也存在同样的问题,可见实际结构的受力状态与计算模型是不一样的,设计时务必特别予以关注。 
7 降低结构造价原则 
建筑结构优化设计的最终目的,就是使设计出来的结构不仅各个构件受力均衡,技术应用科学、合理,而且结构整体安全、可靠,每一个构件都能充分发挥其最大作用,这样才能使设计出来的建筑结构最终达到既受力均衡、坚固耐久,又经济、合理和安全可靠的目的。由于结构设计的主任务是在满足建筑使用功能的前提下,确保建筑投入使用后的安全性和舒适度,使其具有更强的生命力,而结构造价在建筑产品中的比重很大,通过精心思考后的优化设计能给建筑产品带来可观的经济效益,这也是办一切事业的基本出发点和落脚点。结构工程师在对建筑结构优化设计时,务必把降低结构造价当作重的基本原则来予以重视,千万不可掉以轻心。