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什么是建筑結構優化設計?

作者:admin 來源:未知 日期:2019-02-14 10:26:07

鋼結構設計中經常會遇到鋼結構優化設計,那么什么是鋼結構優化設計一起來看一下吧!

結構優化設計是指在給定約束條件下,按某種目標,如重量最輕、成本最低、剛度最大等,求出最好的設計方案,曾稱為結構最佳設計或結構最優設計,相對于“結構分析”而言,又稱“結構綜合”;如以結構的重量最小為目標,則稱為最小重量設計。當前,很多建筑項目由于投資大,建設周期長,所以有效進行結構優化設計,能夠相應的減少投資金額,建筑結構優化設計,是實現建筑本體功能與建筑投資成本的關鍵性手段。

現階段,隨著市場經濟的不斷完善,建筑物的經濟性能越來越受到重視。所以,用最少的材料或者最少的造價來建造出滿足規范和使用要求的建筑物,是我們不懈的追求。但同時,我們要如何來保障建筑物的安全性能呢?所以,結構的優化設計作用就體現出來了!結構優化設計并不是簡簡單單的減少混凝土和鋼筋的用量,而是要通過調整各構件剛度之間的比例關系,充分利用各構件的受力特點,發揮它們各自的長處,使整體結構達到最優。

一、建筑結構優化設計基本原則有哪些?

1、安全性原則

建筑作為人類生存的基礎生存環境,與人們存在密切的聯系。因此,一直以來人們對其建設要求都比較高。在社會經濟快速發展背景下,必須要對傳統建筑結構設計理念與方式進行優化。其中應注意,建筑工程結構設計除了要滿足基本使用需求外,還需要滿足安全使用要求,即為正常生產生活提供安全的居住環境,提高工程結構建設的綜合要求。一味追求建筑結構的優化設計,忽略決策階段、設計階段、建設階段的安全性,其作為建筑不但沒有任何實際意義,反而會給人類正常生產和生活帶來致命的危害。

2、經濟性原則

經濟性是指通過建筑結構的優化設計,最大化的節約各種材料資源,達到減少建設成本的目標。對建筑結構進行優化設計時,還應從設計成本上進行分析,控制好結構設計造價,在滿足市場經濟條件基礎上提高對各項資源的合理配置。需要將經濟性原則與環保性原則進行綜合分析,選擇能耗低類材料,并最大程度上減少各項材料的利用,降低材料投入成本。另外,通過對結構內部的合理設計,提高對空間的利用效率,在有限的成本范圍內,獲得更有效的設計方案。

3、功能性原則

建筑工程作為人類基礎物質生存環境,建筑結構優化的終極目標就是為了滿足人類對物質生存環境的最大化需求,其結構設計效果將會在很大程度上決定工程建設綜合效率。對建筑結構進行優化設計,除了要滿足基礎功能外,還需要從美觀性、協調性、舒適性等角度進行完善,從更大的方面來滿足用戶對工程綜合性要求。

4、環保性原則

建筑工程建設所需資源眾多,而在持續發展理下,在進行結構設計時除了要保證功能要求外,還應做好對資源利用的優化。即選擇環保施工材料,并提高結構整體布局的環保性,將持續發展貫徹到底。對于建筑資源材料的選擇上,要保證其能夠滿足結構安全性、功能性與環保性綜合要求,并且在實現主體內部結構環;A上,做好各項廢舊材料的處理與應用,提高工程結構綜合設計效果,降低對環境的影響鋼結構工程。

5、提高建筑舒適度原則

一個好的建筑物,應該是從建筑、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。

6、不同構件采用不同安全系數原則

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。

鋼結構設計優化
二、建筑結構優化設計有哪些作用?

1、提高建筑結構經濟性

高層建筑的建設成本成了不得不考慮的重要因素,對應的結構成本更是嚴格控制。一個設計人員在保證建筑質量的基礎上,采用合理的計算模型、計算參數、設計荷載、構造措施及合理的計算指標是達到經濟合理含鋼量的重要途徑,應認真結合規范和具體工程情況進行選擇,并依據規范和結構概念合理使用計算結果進行設計,必要時采用手算復核,F筆者以某高層建筑物工程兩種狀態下結構計算結果加以比較說明。

2、降低總造價

進行結構優化設計中,多層住宅和高層住宅相比較,層數越多,總建筑面積增大,單位建筑面積占用的土地面積就越小,節約了用地成本,但建筑層數的增多,建筑總高度也會加大,樓與樓之間的間距 也要加大,這時占用的土地節約量就不與建筑層數增加比例相同了。對于基礎部分而言,雖然也是各層共用的,但是層數增加,傳給基礎的荷載將會增大,我們需要增大基礎,這樣單位面積的造價有所降低,但是卻沒有屋蓋的效果那樣明顯。

三、建筑結構優化設計應注意哪些問題?

結構設計優化設計應用于新項目的前期設計、施工圖設計和舊房改造等設計的各個部分,多種效益都是非?捎^的。在模型進行實踐以及按照結構設計優化方法過程中,要注意以下幾個方面:

(1)前期的設計參與。

建筑總投資受前期方案的直接影響,所以現在存在的問題大都是前期方案階段結構設計并不參與進行,建筑師進行設計方案時大多也不考慮結構的可行性及合理性,而建筑設計的最終結果卻直接對結構設計造成影響,某些方案可能會增加結構設計的難度,并使得建筑總投資提高。如果在方案初期,結構優化設計就能參與進來,那么我們就能針對不同的建筑類別,選擇合理的結構形式,合理的設計方案,獲得一個良好的開端。

(2)地基基礎結構設計。

地基基礎的結構設計優化首先就是選擇最恰當的方案,如果為樁基礎,一定得依據施工現場的具體情況選擇樁基類型,節省成本,減少不必要的浪費。對灌注樁的選擇影響較多的就是樁端持力層,應多進行比較以確定最合適的方案。

(3)細部結構設計優化。

概念設計應用于沒有具體數值量化的情況,設計過程中需要設計人員靈活運用結構設計優化方法,達到最佳的效果。與宏觀把握相對應,設計過程同時要注意對于細部結構設計優化,比如現澆板中的異形板拐角處易出現裂縫,應加設放射筋或劃分為矩形板。在做立面設計的時候,外立面上的懸挑板及配筋,滿足規范的構造要求即可,達到既安全又經濟的目的。

四、建筑結構優化設計方法有哪些?

1、可靠度優化法

在非地震災害區高層建筑結構的方案選型時,應優先選用抗風性能比較好的結構體系,也就是選用風壓體型系數較小的建筑結構體系。比如結構外形呈曲線流線型變化的建筑結構圓形、橢圓形等,或是結構從下往上逐漸減小的截錐形體系的風壓體形系數較小,有利于很好地抗風。此外,在對結構進行平面布置時,適合選取結構平面形狀和結構剛度分布均勻對稱的結構體系類型,這樣可以在很大程度上減小風荷載作用下的扭轉效應引起的結構變形和內力的影響。

2、高層體系優化法

建筑使用性能的不同,所以其對內部空間的要求不同。同時,高層建筑結構使用功能不同,則其平面布置也發生改變。通常,住宅和旅館的客房等宜采用小空間平面布置方案;辦公樓則適合采用大小空間均有;商場、飯店、展覽廳以及工廠廠房等則適宜采用大空間的的平面布置;宴會廳、舞廳則要求結構內部沒有柱子的大空間。由于不同的結構體系可以提供的內部空間的大小不同,因此,在建筑結構設計階段,應該首先根據建筑結構的使用功能,選用合適的結構類型。

3、并行算法

高層建筑結構的主要因素是結構的抵抗水平力的性能。因此,抗側移性能的強弱成為高層建筑結構設計的關鍵因素,且是衡量建筑結構安全性、穩定性能的標準。

在建筑結構中,單位建筑結構面積的結構材料中,用于承擔重力荷載的結構材料用量與房屋的層數近似成正比例線性關系。此外,用于建筑結構樓頂的結構材料用量幾乎是定值,不隨結構的層數變化;但是用于墻、柱等結構構件的材料用量隨樓房的層數成線性正比例增加;而對于抵抗側向移動的結構材料用量,與樓房結構層數的二次方的關系增長。

五、建筑結構優化設計措施有哪些?

1、加強剪力墻的設計

剪力墻墻肢的試驗研究也表明,軸壓比超過一定值,很難成為延性剪力墻。影響壓彎構件的延性或屈服后變形能力的因素有:截面尺寸、混凝土強度等級、縱向配筋、軸壓比、箍筋量等,其主要因素是軸壓比和配箍特征值。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。

2、注重細部優化

(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。

(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,達到造價的降低以及施工的方便化。還有,為減少底部截面,采用高強度的混凝土是柱構件不錯的選擇,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)隨著計算機技術以及結構優化設計理論的結合,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。4、

3、結構設計優化方法的實踐價值

在滿足建筑結構長遠效益的前提下,應盡量減少建筑結構的近期投資并提高建筑結構的可靠度和合理性。與傳統設計相比,采用設計優化技術可以使建筑工程造價降低5%-30%。優化技術的實現,可以最合理的利用材料的性能,使建筑結構內部各單元得到最好的協調,并具有建筑規范所規定的安全度。同時,它還可為建筑整體性方案設計進行合理的決策,優化技術是實現建筑設計的“適用、安全和經濟”目標的有效途徑。

對于建筑來說,架構的優化設計是必然趨勢,是實現建筑本體功能與控制建筑造價成本的重要手段。另外,無論是建筑投資者,又或者是開發商都不能過分強調結構優化設計的經濟性,不能僅僅是通過減少材料、降低技術、放低質量標準來追求經濟性,

4、結構設計優化方法的應用

結構設計優化方法和技術的應用具體體現在房屋工程結構總體的優化設計和房屋工程分部結構的優化設計兩方面。其中房屋工程分部結構的優化設計包括:基礎結構方案的優化設計、屋蓋系統方案的優化設計、圍護結構方案的優化設計和結構細部設計的優化設計。

對以上幾個方面的優化設計還包含選型、布置、受力分析、造價分析等內容,并應在滿足設計規范和使用要求的前提下,結合具體工程的實際情況,圍繞其綜合經濟效益的目標進行鋼結構工程設計優化。


標簽:鋼結構設計 鋼結構優化設計 鋼結構工程

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