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土建工程结构设计的优化技术

发表时间：2021/6/3 来源：《基层建设》2021年第2期作者：苗笛丁意怡

[导读] 摘要：随着我国建筑行业的系统性改革及建筑企业治理，现阶段土建工程项目的生产建设与生产管理方面取得较快发展。

        中国空分工程有限公司浙江杭州 310051
        摘要：随着我国建筑行业的系统性改革及建筑企业治理，现阶段土建工程项目的生产建设与生产管理方面取得较快发展。尤其在研发设计方面，通过引入现代工业设计思想，增强了对土建工程结构设计的优化处理。本文以土建工程结构设计的优化技术作为研究题目，具体分析中，简述了土建工程结构优化设计的现状及优化技术。并以此为基础，对土建工程结构设计中的优化技术应用问题进行了具体讨论。
        关键词：土建工程；结构设计；优化技术
        当前，土建工程项目生产建设中，已经建立了相对完整的生产建设产业链条，将设计、材料、设备、施工等统一纳入到了系统的生产管理体系之中。既增强了土建工程结构研发设计优势，也通过土建工程结构设计优化处理，扩增了设计环节的可营利空间、提高了整体造价管理效率。目前优化技术在土建工程结构设计方面的应用效用表明，能够促进土建工程项目达到“经济、适用、安全”三大基本目标，并提升项目品质。另外，现阶段使用的优化技术具有综合性特征，主要是透过将土建工程项目生产要素与生产成本进行了对应处理的方法，运用精细化的指标，推进结构设计诸环节的优化。
        1、结构优化设计现状
        土建工程结构优化设计，旨在以具体项目为准，选取相对精准的计算模型（目前BIM技术应用相对较多，相关的计算模型可以满足土建工程结构构成要素的计算分析），实现对其结构尺寸、形状、布局等方面的综合优化。从当前国内土建工程结构设计优化实践经验看，部分企业在实践过程中，因质量体系管理标准设置不全面、人力资源匹配数量不足、优化技术应用频率较低、数据库建设相对不足等，共同导致了结构优化范围较小、优化效果相对较低的实际问题。
        2、土建工程结构设计的优化技术
        2.1优化准则法
        在土建工程结构设计优化实践中的应用技术相对较多，常用的优化方法均具有综合性特征。以优化准则法为例，将土建工程项目作为具体的项目产品，可以根据设计准则的全面研究，达到精准分析与细致求解的目标。在实际的操作方面，根据优化准则法可以选择迭代法，在具体的实践经验基础上达到满应力、能量准则的全面分析。比如，应用优化准则法进行设计优化时要求，可以按照开展理论研究——实施精准判断——进行最优状态比较的顺序，达到对土建工程结构设计优化目标。从优势方面看，该方法具有原理简单易用、收效快、成功概率高等特点。以满应力准则应用为例，可以透过该方法使土建工程材料的潜力获得有效发挥，实现弹性稳定、位移控制、自振频率处理等。目前应用中通常以Kuhn-Tucker条件为准，进行准则方程式的计算。从弊端方面看，该方法适用于几何形式、结构特征相对明显的工程，所以，在操作中应用范围相对受限，在实际应用中设计人员仅能根据结构中的实际特点进行选择性应用。
        2.2数学规划法
        与优化准则法相比，数学规划法的应用范围相对较广、通用性相对较大。从应用原理看，将重点集中于结构力学，能够采用优选法实现对非线性规划问题的有效处理。目前数学规划法的实践中应用的优选法属于一种比较方法，可以在对比不同方案的基础上实现优化目标。从实践经验看，BIM技术既能够满足土建工程结构设计需求，也可以结合实际的优化需求，利用各类结构组成要素，建立对应的结构模型，从而达到对结构力学的优化处理。目前应用BIM技术过程中，实现了数学规划法与各项具体操作软件及技术之间的有效对应，有利于在结构设计优化操作中，实施总体优化与局部优化，其灵活性相对较大、应用便利性相对较高、可视化效果十分明显。

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        3、优化技术在土建工程结构设计中的应用建议
        3.1综合性优化应用建议
        首先，在综合性优化应用方面，应该注重结构建设、概念设计的总体优化。具体而言，现阶段的土建工程项目正在朝着规模化、功能化的方向发展，应该针对其多重结构，在总体上做好布局设计方案的选择。比如，在具体的分析过程中，应该注重结构布局的确定性、荷载状况的一致性、参数取值的精准性，以及分析方法的多元化。并在总体上做好相关软件的配套性应用。如结构优化软件、参数计算软件之间的配套应用，有助于提高设计的全方位分析。再如，概念设计的核心集中于对土建工程结构设计规划与原则的遵循及细部处理，此时应该在考虑实用性与艺术性相匹配的前提下，针对结构设计不同细节的优化做好合理控制。
        其次，为了达到优化技术应用后的优化目标，应该结合实际项目、设计岗位，合理配置人力资源，并配套的开展定额设计，这样有利于使设计要素与设计成本之间形成对应关系，从而在结构设计过程中，做好对后续施工材料、工艺、管理方案等方面的预先控制等。
        3.2具体性优化应用建议
        以间距设计优化为例，在实际的设计实践中，既要考虑到防潮与防尘功能，也应该对应的使建筑体的全生命周期获得延长。为了达到此类具体目标，应该对其附属的砌体进行细致分析，然后借助对砌体结构、性能的优化促进其优化效果。比如，在气候环境相对湿润的地区，将水泥砂浆的配合比进行一些有效控制（如将其控制在大于M7.5的范围）、砌体砖块的抗压强度控制在15MPa等。再如，墙体裂缝问题在建筑结构中十分常见，应该根据实际的裂缝类型，如纵向裂缝、横向裂缝、砖体砌块裂缝、表面砂浆裂缝等，对其不同区域的整体组合部分这间的伸缩缝进行合理优化。如在温度、湿度、气候变化的情况下，混凝土会因热胀冷缩原理而发生紧缩或膨胀现象，此时应该根据施工区域勘测的温度变化、湿度变化表等，合理选择伸缩缝的间距。
        以安全中扭矩优化为例，扭力矩作用下的裂缝问题相对常见，而钢筋架构在该方面的预防性并不明显。然而，可以针对构件重力作用引发的裂缝问题，使钢筋在结构构件受力方面获得设计优化。比如，通过对箍筋形式、钢筋间距、抗扭钢筋配置范围的有效控制，能够起到对土建工程安全中扭矩的优化设计目标。以箍筋形式为例，在具体设计时，可以根据结构构件扭转和拉变的四个侧面，对其裂缝问题进行具体分析，然后，通过封闭结构设计的办法提高筋箍结构的有效性等。以钢筋间距设计优化为例，此时可以根据结构扭转力引发损坏性裂缝的具体情况，使其箍筋结构最大间距不大于截面宽度。尤其是在现阶段的土建工程结构设计中十分重视其艺术性与功能性或实用性之间的契合度。所以，设计师应该在保障安全中扭矩优化的基础上，利用平面布局的精准性、结构形态的审美处理等，促进多元功能的实现。比如，转换层的设计在实际优化中，容易提高建筑体的艺术性等。
        4、结束语
        土建工程结构设计在土建工程项目生产建设中起到引领性与决定性的作用，前期的结构设计在实质上决定了对于施工工艺的选择、施工材料的筛选、施工管理方案的匹配落实，以及对于各项资源的优化配置。结合以上分析，建议在当前阶段，根据我国土建工程结构设计所处的发展阶段及设计现状，细致分析数学规划法与优化准则法，增强此类方法与建筑结构力学特征之间的对应分析。进而针对土建工程设计相关的间距问题、结构基础问题、安全扭矩问题、荷载问题、保护层厚度问题等，实施匹配性较强的优化设计，以此在总体上提高土建工程结构设计在整体项目中的全要素生产率。
        参考文献：
        [1]朱义东.浅析高层建筑钢结构在土建工程中的应用[J].建材发展导向（上），2020，18（3）：188.
        [2]曹琪琳.土建工程框架结构施工策略分析[J].写真地理，2020，14（43）：82-83.
        [3]徐君，洪广慧.对土建工程结构实体质量检测的必要性[J].装饰装修天地，2020，6（22）：65.