浅谈如何做好建筑结构优化设计

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【摘要】本文主要通过建筑消耗资源的优化设计、建筑材料的优化设计以及结构主体优化设计几个方面详细探讨了如何做好建筑结构的优化设计工作，可为建筑结构设计及实施者提供参考。

【关键词】消耗资源；建筑材料；主体结构；优化设计；

[Abstract] this paper mainly through the construction of resource optimization design, building materials, design and optimization of main structure optimization design aspects discussed in detail how to do building structure optimization design, can provide a reference for the design and implementation of construction.

[keyword] resource consumption; building materials; structure; optimization design;

TU318

1 建筑消耗资源的优化设计

1.1 土地集约化

中国是人口大国，土地资源相当紧缺，城市建设与工业化进程与土地供给的矛盾比较突出，并有此产生的环境危机日益呈现。 在建设实践中，合理开发土地，符合节约用地的要求。 通过优化设计，合理布置地下地上建筑布局，挖掘土地价值，采用新型轻薄材料，减少建筑构件所占空间。

1.2 水资源集约化

工农业用水与生活用水急剧增加，水资源供需矛盾日益突出，我国人均水资源十分有限，在建筑设计中应综合考虑雨水收集，废水净化，设置循环用水、分质用水和中水使用系统。

1.3 能源集约化

建筑运营耗能是非常可观的，目前国内 30%电力是供给建筑使用的，随着人们对物质生活追求的提高，建筑用能所占的比例将会增加。 上海世博会伦敦建筑馆展现了零碳建筑，这表明，建筑设计通过使用新技术，提高能源集约化利用程度，结合自然条件，充分利用风能、地热能、太阳能，会大量减少对不可再生资源的消耗， 同时会降低人们日常生活费用，取得较好的社会效益和经济效益。

2 建筑材料的优化设计

2.1 结构材料的应用

建筑结构的各个构件都体现着力学承载力的特征，提供承载力的本体为建筑材料，在建筑发展史中，砖石、木头、钢筋混凝土等材料在不同时期分别作为当时的建筑主材，通过工程实践表明，目前钢筋混凝是良好的主要结构材料，充分利用钢筋的抗拉强度和混凝土的抗压强度， 通过合理的配置，使结构构件具有良好的强度、刚性、延展性。 在建筑结构主体中，柱、墙承担着竖向荷载，采用高标号的混凝土，可以减少柱截面积，节约材料，减轻重量，增加使用空间；梁板为受弯构件，采用高强度钢筋，可以减少钢筋使用量；在设计过程中，采用合理构件截面，取用适宜的配筋率，可以充分发挥钢筋与混凝土复合材料的性能；对于超高层建筑，结构转换层，大跨度建筑，采用型钢混凝土或预应力混凝土等，可以取得良好的经济效益，并更好地符合功能需要。 对于钢筋混凝土板，不宜采用较高标号的混凝土，这是因为高标号混凝土容易收缩变形， 并且高标号混凝土要求的钢筋含量较高，不符合结构的经济型。 随着科技进步，新材料不断出现，本着安全性，适用性经济型，环保性等综合考虑，系统优化，合理使用传统建材或新建材。

2.2 建筑保温性及保温材料

建筑的热能消耗占据建筑用能的较大比例，国家的建筑节能标准虽然经过多次提高，但仍然与欧盟等西方国家的标准有一定的差距。 在设计过程中，通过下列几方面的分析应用，可以提高建筑的保温性：①提高建筑的密闭性，使保温材料对建筑四周全面覆盖，不形成冷桥节点，对构件之间的缝隙采取适当的方法进行密闭封堵，最大限度减少室内外空气冷热对流，对室内空间分割适当进行保温隔绝；②改善建筑体型系数，通过对空间布置及外观的合理修改，减少外墙与空气的接触面积；③采用具有良好保温性能和性价比的建筑材料，新技术新材料不断出现，通过比较，适当选择。

2.3 建材的环保性及循环利用

建材的环保性是继经济性之后的更高要求，随着技术的发展，环保型建材不仅有着明显的社会效益，还常常伴有更好的经济性。 在优化设计过程中，应充分考虑添建、新建建筑的具体条件，采用循环再利用和环保型材料，这不仅有利于环境，对提高建筑经济性也很有意义。 再利用表现在对原有建筑的改造利用，以及对原有照明设施，管道，电器，结构构件，砖石等再次使用；循环表现在对使用过的建材再加工而从新使用，比如用建筑垃圾生产的垃圾砖、用废旧塑料生产的 PE 管道，在建材的使用中有着良好的经济性。

3 结构主体优化设计

3.1 结构体系的选择

结构体系是指结构构件抵抗外部作用的组成方式。 民用建筑结构体系种类主要有：砖混结构、框架结构、剪力墙结构、框剪结构、筒体结构等。 对于不同层数不同功能要求的住宅，应选用不同的结构体系，正确的选用结构体系，对建筑的功能、外立面选择、管道间布置和建设成本都有很大的影响。 砖混结构适合多层建筑，它的特点是横向刚度大，整体性好，但空间不灵活，其经济性与其它体系相比有很大的优势。 框架结构适应性较强，空间布置非常灵活，适合大空间的功能要求，亦可采用填充墙将空间进行分割。 剪力墙结构适用于高层住宅， 对于多层建筑竖向荷载控制着结构设计，对于高层建筑，尽管竖向荷载对结构设计起着重要影响，但横向荷载起着决定性的作用，剪力墙是主要的抗侧力构件， 剪力墙的的合理布局对抗震性能和建筑的经济性有很大影响。 框剪结构应用比较广泛，它吸收了框架结构空间布置灵活的优点，同时吸收了剪力墙抵抗横向荷载的优点，在设计实践中，公共建筑，底商住宅，框剪结构有很强的实用性，并有良好的经济性。 筒体结构主要适合高层和超高层结构。

3.2 结构构件的布置

结构构件是承担荷载的载体， 它不仅承担着外部的荷载，其本身质量对结构主体也产生极其重要的影响，结构构件的合理布置，可使建筑功能更加适用，同时可以减少建筑成本。 构件设置主要有柱、墙、梁、楼板等设计，柱墙的布置间距对经济性有很大影响，间距过小，不仅影响建筑空间的使用，而且材料承载能力不能充分发挥，同时浪费了建材，增加了重量，增加了造价；间距过大，对结构整体性不利，横向构件就会承担很大的弯矩，导致构件截面加剧增大，空间受到影响，安全性降低。 高层建筑剪力墙是抗侧力构件，适量、均匀、对称布置剪力墙，有利于整体性、经济性、抗震性能。 梁与柱墙根据结构特点进行铰接或刚接，通过梁格划分与楼板连接，从而形成空间结构体系。 布置常规梁，经济性较好，但影

响建筑层高；布置宽扁梁，经济性差些，但能减少梁的截面高度，增加建筑物净高，在建筑总高度限制的情况下，可增加层数，在地下水位较高的情况下，建设地下建筑可以减少下挖

深度。 梁格的适当划分，影响楼板的厚度，楼板在安全的前提下，尽量不要加厚，楼板的平面面积较大，加厚楼板，不仅增加了建材费用，而且增加了结构重量，这些荷载将进一步增加梁、柱、基础所承受的荷载，增加了结构成本，并对抗震不利。

3.3 结构的概念设计

建筑尤其是高层建筑抗震的概念设计非常重要，竖向荷载与建筑物高度的一次方成正比，横向荷载与建筑物高度的二次方成正比，高层建筑的横向荷载有着决定的作用。 剪力墙应均匀、对称、双向布置，从而减少结构的扭转影响，同时增加结构的抗扭刚度。 结构构件受力力求均匀，体型宜简单，有时应为了结构布置而改变建筑布局。 建筑质量与构件竖向布置变化应均匀。 建筑外墙应适当加厚，边缘构件及角部适当加强，构造构件及配筋应按规范配置。 通过对结构主体多次试算，优化调整构件布置，使结构整体性，抗震性更加合理，同时降低工程造价。

4 结语

全面的建筑结构优化设计，涉及的内容比较广泛，通过对各个层面进行分析研究，系统思考，实现功能适用、安全可靠，成本减低、节能环保的目标，从而满足使用者功能性，舒适性的需要，符合投资者经济性的要求，保障社会的生态环境，环保，持续，较高的社会效益，在优化设计过程中，既不能过分强调经济性，降低技术，减少材料，同时也反对以为重视技术，采用新材料，忽略建筑成本。

【参考文献】

［1］解振华.大力发展循环经济[J].求实，2003（13）.

［2］徐培福.复杂高层建筑结构设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.

［3］孙国正.优化设计及应用[M].北京:人民交通出版社,2004.