民用建筑结构设计和优化

张旻

（湖南湘楚鸿飞建筑设计有限公司 湖南株洲 412000）

民用建筑结构设计和优化

张旻

（湖南湘楚鸿飞建筑设计有限公司 湖南株洲 412000）

在当今社会，应用较为广泛的建筑便是民用建筑，其同人们的生产生活息息相关。对此，做好民用建筑结构的设计具有重要意义，只有经过不断优化，民用建筑结构设计才能集稳定、科学、合理、安全于一身。本文首先对民用建筑结构设计原则及几种常见的民用建筑结构设计进行简要介绍，再对民用建筑结构设计中存在的相关问题进行分析，最后对民用建筑结构优化措施给予探讨。

民用建筑；结构；设计；优化

引言

所谓建筑结构的优化设计，也就是民用建筑结构设计中采用的主要方法，以建筑结构设计优化方法的应用为平台，房屋结构在安全、实用等环节就有了根本的保证。所以，在房屋结构设计工作中应该推行建筑结构设计优化方法的应用，从房屋结构的前期设计、细部结构设计、基础结构设计等重点环节出发，更好地发挥建筑结构设计优化方法的优势，建立起房屋结构的验证、计算和控制新体系。

1 建筑工程结构设计现状

国际上最早从80年代开始利用计算机进行结构辅助设计，也就是二维计算机辅助设计方法，这种建筑工程结构设计方法的过程是采用程序化手法，使设计过程更加简单，也促进了标准化绘制的形成。但是随着对结构设计的高效性需求日益加大，出现了三维化的设计方法。当前很多发达国家在工程结构设计上引入了建筑信息建模等理念，在相关技术的支持下通过建立三维模型的方式进行结构设计，很大的提高了工作效率。而在随着国内建筑行业的快速发展，建筑结构设计的现状是，一方面，建筑结构设计的信息化使得设计过程更加便捷，造成设计人员过于依赖于电脑，而不进行专业理论知识的全面评估，这给建筑工程带来很大的不利影响；另一方面，当前的信息化结构设计技术与发达国家存在较大的差距，虽然建筑信息建模等三维方式已经在国内的部分建筑设计上得到了应用（具体结构设计流程如图1），但是实现先进信息技术与实际设计工作的完美结合，仍需要在日常工作中进行不断的探索与优化。

图1 建筑结构设计流程图

2 我国民用建筑结构类型的划分

2.1 结构墙（剪力墙）结构

结构墙又称抗风墙或抗震墙、剪力墙。结构墙是建筑物主要承受空气流动产生的压力或地震作用引起的水平作用力和重力的墙体。在对结构墙进行设计时，其结构的平面结构要同相关建筑平面布置的要求相符合。结构墙具有很好的承载能力以及空间作用能力，在一般情况下，其在民用建筑中的运用比较广泛，由于建筑工程在其施工过程中会受到结构墙间距的影响，导致其平面空间的布置受到限制，所以结构墙在住宅或者或者旅馆的应用中比较普遍。

2.2 框架式结构

建筑的框架式结构指的是建筑的梁通过刚结点或者铰链同柱之间加以连接，二者共同构成建筑的承重体系，来抵抗建筑在人们居住过程中所产生的竖直方向上的重力以及水平方向上的作用力。采用框架式结构的建筑墙体不承受作用力，仅仅起到对建筑内部的围护以及分隔作用。框架式结构在进行平面布置时要灵活，能够满足建筑工艺以及使用功能的要求。在对框架式结构进行设计时，一般采用的材料是钢筋混凝土以及型钢。因为材料在受到作用力时的抗损坏能力比较好，其抵抗压力的能力比较强，且由于其梁柱之间进行的是刚接或者铰接，因此其抵抗震动的能力以及防止侧移的能力也比较好。构架式结构比较适用于多层建筑以及高度在60m以下的建筑。在对框架式结构进行平面上的设置时，尽量对平面或者立面的形状多加以利用，从而促进建筑的各部分结构在受力时抵抗弹性变形的能力得以均匀对称分布。

2.3 筒体结构

筒体结构由构架—结构墙结构与全结构墙结构综合演变和发展而来。筒体结构是将结构墙或密柱框架集中到建筑的内部和外围而形成的空间封闭式的筒体。其特点是结构墙集中而获得较大的自由分割空间，这种结构多用于写字楼。进行筒体结构的平面设置时，一般选用方形或者圆形的形式，同时，也可以选择对称的三角形或者人字型平面对其加以设置。当采用长方形的平面时，其长度与宽度之间的比值最好不要超过2∶1。外框筒密排栓柱距一般为1～3m之间。在建筑的平面四角处的柱子截面应当要呈八字形或者L形，其截面的尺寸要加大至2～3倍。外筒的边长尺寸要比内筒的大出两倍。同时在建筑的顶部设置一到二层的刚性环梁，对建筑的框筒结构的空间整体性加以提高。

2.4 混合结构

混合结构的墙体具有承重和围护的双重作用，其所用的材料比较简单，便于就地取材。并且在对混合结构加以施工时的技术要求也比较简单，施工难度比较小。由于砌体的抗压强度较高但是其抗拉强度很低，其主要受到轴心力或小偏心压力的影响，其抵抗震动的能力比较弱。因此，运用混合结构的建筑一般不超过七层。

3 民用建筑结构优化措施

3.1 保证和提升设计质量

现阶段，在民用建筑结构中存在较多问题，比如设计粗糙、标注不全、违反规范条文等，在施工之前，这些问题都应该得到解决，因此，对设计人员具有较高要求，必须具有较强的职业素养和专业知识。设计人员应该定期参加各种专业培训，使自身的责任心和专业水平得到提升，在设计过程中，能够端正态度，使建筑结构的设计质量和水平不断提升。在进行设计单位选择时，必须严格审查设计单位的资质和相关证书，不仅可以从源头上保证整个工程的质量和安全性，还能使建筑结构具有较高的设计质量。

3.2 民用建筑结构模型的优化

民用建筑结构的好坏，与国计民生息息相关，即建筑工程与人民群众具有紧密联系，因此，在设计民用建筑结构时，应该对设计方案进行合理性优化，保证房屋的各个细节都能得到合理性优化，比如围护结构、结构体系等，使建筑具有较好的承重能力。在设计建筑结构模型时，经济性原则、安全性原则是不可忽视的，同时，想要最大化实现经济效益，必须使建筑结构成本降到最低。

3.3 民用建筑结构设计安全性的提高

如今，自然灾害频繁发生，而多数民用建筑结构缺乏相应的抗震设计，结构设计不合理现象比较严重。因此，合理科学的民用建筑结构设计，才能保证建筑结构的使用寿命和安全性。在进行民用建筑结构设计时，选择的结构类型必须具有合理性。现阶段，钢结构应用的较为广泛，与传统结构相比，此结构具有工期短、质量轻、强度高等特点，与民用建筑结构设计安全性的提高是相吻合的。

4 建筑结构优化设计方法在房屋结构设计中的步骤

4.1 正确建立设计模型

对设计变量进行合理性的选择，首先将建筑设计过程中的主要影响参数进行统计与整理，将其中影响不大或者变化范围较小的设计参数进行预定计算，从而有效减少设计过程中的工作量。结构优化过程中，需要通过一组能满足预定条件的函数，这一函数可以满足相应的失效概率、几何尺寸与钢筋截面积，在实际应用过程中，通过这一函数可以有效降低工程造价的数额，为建筑生产创造了有利因素。在进行结构模型的设计过程中，需要详细参照房屋结构优化设计的详细参数来进行，确保结构设计的可靠度，对优化设计的约束条件主要包括应力约束、构件单位约束、尺寸约束、结构体系约束等方面，结构设计中，设计者需要在对目标进行约束的过程中详细参照房屋结构设计的相关参数，并且确保约束目标条件能够满足相关的要求，通过这些方式实现有效地结构优化设计。

4.2 优化方案设定

在进行房屋结构优化设计的过程中，建筑结构往往存在着多约束、非线性的复杂问题，这些问题在优化设计过程中为设计者带来了很多的困扰，因此，有效的通过优化方案设定，利用常用的优化设计计算方法针对这些问题进行相应计算求解，这样可以帮助设计者更好地进行结构设计。

4.3 结果分析

结果分析对于建筑结构优化设计的整个过程有着重要的作用，这一过程中，设计者通过对方案进行合理选择，并且分析方案的实用性与成本因素，充分考虑经济因素与设计因素，通过对这两方面进行有效配置，从而实现更加完善的建筑结构设计优化。

5 结束语

总而言之，民用建筑的结构设计及优化在建筑结构设计中属于一项庞大的系统工程，需要相关人员不断进行探索和改革，不断促进民用建筑结构设计的科学性和合理性，使其更符合设计要求、更符合当今社会的环保理念。同时，不断提升民用建筑结构设计人员的能力和素质，使设计出的方案更加合理有效，促进我国建筑产业的可持续发展，使建筑结构设计向安全、合理、科学的方向转变。

[1]吴洪宽.关于民用建筑结构设计和优化的研究[J].城市建筑，2013（24）：169.

[2]邹俊.建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的现实应用[J].科技传播，2010（19）：201～202.

[3]贾崇权，田慧平.建筑结构设计中抗震概念设计的优化准则与构造措施[J].城市建设理论研究：电子版，2012（3）：125～126.

[4]郑龙.建筑结构设计阶段优化工程造价成本的方法及对策[J].低碳世界，2014（1）：166～167.

TU318

A

1673-0038（2015）45-0100-02

收稿日期：2015-10-17

张旻（1976-），男，工程师，本科，主要从事建筑结构设计工作。