¿Cuál es el diseño óptimo de las estructuras de los edificios?
1. ¿Cuáles son los principios básicos del diseño óptimo de estructuras de edificación?
1. Principios funcionales
Como entorno de vida material básico para los seres humanos, el objetivo final de la optimización de la estructura del edificio es satisfacer las mayores necesidades de los seres humanos en cuanto a entorno de vida material. sus efectos de diseño estructural se lograrán en un futuro próximo. En gran medida, determina la eficiencia general de la construcción del proyecto. Optimizar el diseño de las estructuras de los edificios, además de cumplir funciones básicas, también requiere mejoras desde las perspectivas de estética, coordinación y comodidad, para satisfacer las necesidades integrales de los usuarios del proyecto desde una perspectiva más amplia.
2. Principio de seguridad
Como entorno de vida básico para la supervivencia humana, la arquitectura está estrechamente relacionada con las personas. Por lo tanto, la gente siempre ha tenido mayores exigencias para su construcción. En el contexto de un rápido desarrollo social y económico, es necesario optimizar los conceptos y métodos tradicionales de diseño de estructuras de edificios. Cabe señalar que el diseño estructural de los proyectos de construcción no solo debe cumplir con los requisitos de uso básicos, sino también con los requisitos de uso seguro, es decir, proporcionar un entorno de vida seguro para la producción y la vida normales y mejorar los requisitos integrales para la construcción de estructuras de ingeniería. Persiga ciegamente el diseño óptimo de la estructura del edificio e ignore la seguridad de las etapas de toma de decisiones, diseño y construcción. Como edificio, no sólo no tiene importancia práctica, sino que causará daños fatales a la producción normal y a la vida de los seres humanos.
3. Principios de protección del medio ambiente
Los proyectos de construcción requieren muchos recursos. Según el principio de desarrollo sostenible, se deben garantizar los requisitos funcionales y optimizar la utilización de los recursos en el diseño estructural. . Es decir, elegir materiales de construcción respetuosos con el medio ambiente para mejorar la protección ambiental del diseño general de la estructura, a fin de llevar a cabo el desarrollo sostenible hasta el final. Para la selección de recursos y materiales de construcción, es necesario garantizar que se cumplan los requisitos integrales de seguridad estructural, funcionalidad y protección ambiental. Sobre la base de lograr la protección ambiental de la estructura interna principal, se deben procesar adecuadamente diversos materiales de desecho. y se aplica para mejorar la amplitud del efecto del diseño de la estructura de ingeniería y reducir el impacto en el medio ambiente [3].
4. Principio de economía
La economía se refiere a maximizar el ahorro de diversos recursos materiales a través del diseño optimizado de la estructura del edificio para lograr el propósito de reducir los costos de construcción. Al optimizar el diseño de las estructuras de los edificios, también se deben analizar los costos de diseño, controlar los costos del diseño estructural y mejorar la asignación racional de diversos recursos sobre la base del cumplimiento de las condiciones económicas del mercado. Es necesario analizar exhaustivamente los principios de economía y protección del medio ambiente, seleccionar materiales con bajo consumo de energía, minimizar el uso de diversos materiales y reducir los costos de insumos de materiales. Además, mediante un diseño interno razonable de la estructura, se puede mejorar la eficiencia en la utilización del espacio y se puede obtener una solución de diseño más efectiva dentro de un rango de costos limitado.
5. Principios para mejorar el confort del edificio
Un buen edificio debe ser una combinación de diseño optimizada desde la arquitectura, la estructura, la decoración hasta el suministro de agua y drenaje, HVAC, aire acondicionado, gas y electricidad. Instalación. Es un diseño general optimizado. Si sólo una especialidad está bien diseñada, no se la puede llamar buena arquitectura, y el diseño estructural no es una excepción. El diseño de la estructura del edificio debe cumplir en la mayor medida posible con los requisitos funcionales y de apariencia de la distribución del edificio, la altura del espacio interno, la fachada del edificio, etc. Después de su puesta en uso, los usuarios se sentirán muy cómodos en su trabajo y vida, y el edificio realmente se convertirá en un buen edificio elogiado por todos. Este es el punto de partida y destino del diseño óptimo de la estructura del edificio. Por lo tanto, el diseño óptimo de estructuras de construcción debe incluir la optimización del sistema estructural, la ciencia de la transmisión de fuerzas, la racionalidad del diseño de los componentes y la selección correcta de componentes y materiales. Maximizar el confort de un edificio una vez puesto en uso debería ser un principio básico importante.
6. Los diferentes componentes adoptan diferentes factores de seguridad.
La contención de losas de hormigón armado coladas in situ puede aumentar considerablemente la capacidad portante de las vigas del forjado, hasta aproximadamente 1,5 veces. Sin embargo, el software de cálculo estructural nacional actual no puede reflejar con precisión este efecto de restricción de las losas de piso coladas in situ. Por lo tanto, si el diseño estructural se realiza de acuerdo con los resultados del cálculo mecánico, el factor de seguridad de la viga de piso colada in situ será mucho mayor.
Por otro lado, a partir de la investigación y análisis de las causas de los accidentes de colapso, podemos saber que existen muy pocos ejemplos de ingeniería de daños estructurales por problemas con losas o vigas de forjado, a menos que la estructura el cálculo en sí es incorrecto; según muchos También se puede saber a partir de ejemplos de ingeniería de investigación de daños por terremotos que la razón principal por la que los edificios colapsan bajo la acción de las fuerzas sísmicas se debe principalmente a la primera falla de los componentes verticales como paredes y columnas.
En el trabajo de diseño estructural real, si no se considera la capacidad de carga real de los componentes y se adopta el mismo factor de seguridad para todos los componentes, se producirá una seguridad y economía irrazonables de la estructura del edificio. Por lo tanto, en el diseño estructural, se debe utilizar un factor de seguridad mayor para componentes independientes, estructuras estáticamente determinadas y componentes verticales, mientras que los factores de seguridad de las losas y vigas de piso se pueden reducir adecuadamente. Esto no solo puede reducir el costo del proyecto, sino también. mejorar la durabilidad estructural.
2. ¿Cuál es el papel del diseño de optimización de la estructura del edificio?
1. Reducir el costo total
En el diseño de optimización estructural, en comparación con los edificios residenciales de gran altura, cuantos más pisos, mayor será el área total de construcción y mayor la superficie del terreno. Ocupado por unidad de área de construcción Pequeña, ahorrando costos de terreno. Sin embargo, a medida que aumenta el número de pisos del edificio, la altura total del edificio también aumentará y el espacio entre los edificios también aumentará, por lo que la cantidad de terreno ahorrado no será la misma que el número de pisos del edificio. Para la parte de los cimientos, aunque también se usa en cada piso, la carga transferida a los cimientos aumentará a medida que aumentan los pisos, por lo que necesitamos aumentar los cimientos. Esto reducirá el costo por unidad de área, pero el efecto no es tan grande. tan obvio como el techo.
2. Mejorar la economía de la estructura del edificio.
El coste de construcción de los edificios de gran altura se ha convertido en un factor importante a tener en cuenta, y los costes estructurales correspondientes también están estrictamente controlados. Para garantizar la calidad de la construcción, el uso de modelos de cálculo razonables, parámetros de cálculo, cargas de diseño, medidas estructurales e indicadores de cálculo razonables es una forma importante para que los diseñadores logren un consumo de acero económico y razonable. Debe hacer selecciones cuidadosas basadas en especificaciones y condiciones de ingeniería específicas, usar racionalmente los resultados de los cálculos para el diseño basado en especificaciones y conceptos estructurales, y usar cálculos manuales para revisión cuando sea necesario. Actualmente, el autor compara los resultados del cálculo estructural de un proyecto de edificio de gran altura en dos estados federados.
3. ¿A qué cuestiones se debe prestar atención en el diseño de optimización de las estructuras de los edificios?
El diseño de optimización del diseño estructural se aplica a todas las partes del diseño de nuevos proyectos, el diseño de planos de construcción y la renovación de casas antiguas, y los diversos beneficios son muy considerables. En el proceso de práctica de modelos y métodos de optimización del diseño estructural, se debe prestar atención a los siguientes aspectos:
(1) Participación temprana en el diseño. La inversión total del edificio se ve directamente afectada por el plan preliminar, por lo que el problema es que el diseño estructural en la etapa del plan preliminar no está involucrado. La mayoría de los arquitectos no consideran la viabilidad y racionalidad de la estructura al diseñar el plan. El resultado final del diseño arquitectónico influye directamente en el diseño estructural. Algunas opciones pueden aumentar la dificultad del diseño estructural y aumentar la inversión total en construcción. Si el diseño de optimización estructural puede participar en la etapa inicial del plan, entonces podemos elegir formas estructurales razonables y planes de diseño razonables para diferentes categorías de edificios y tener un buen comienzo.
(2) Diseño de infraestructura. La optimización del diseño de infraestructura comienza con la selección de la solución más adecuada. Si se trata de una base de pilotes, el tipo de base de pilotes debe seleccionarse de acuerdo con las condiciones específicas del sitio de construcción para ahorrar costos y reducir desperdicios innecesarios. La capa de soporte en el extremo del pilote tiene un mayor impacto en la selección de pilotes colados in situ. Se deben hacer más comparaciones para determinar la solución más adecuada.
(3) Optimización del diseño detallado de la estructura. El diseño conceptual se aplica sin una cuantificación numérica específica y los diseñadores deben utilizar de manera flexible métodos de optimización del diseño estructural durante el proceso de diseño para lograr los mejores resultados. En correspondencia con la comprensión macro, el proceso de diseño también debe prestar atención a la optimización del diseño estructural detallado. Por ejemplo, es probable que aparezcan grietas en las esquinas de paneles con formas especiales en paneles moldeados in situ, por lo que se deben agregar nervaduras radiales o dividirse en paneles rectangulares. Al diseñar la fachada, los paneles en voladizo y los refuerzos de la fachada cumplen con los requisitos estructurales de la especificación para lograr seguridad y economía.
4. ¿Cuáles son los métodos de diseño de optimización para estructuras de construcción?
1. Algoritmo paralelo
El factor principal de la estructura de un edificio de gran altura es el rendimiento de resistencia a las fuerzas horizontales. Por lo tanto, la resistencia al movimiento antilateral se ha convertido en un factor clave en el diseño estructural de edificios de gran altura y en un estándar para medir la seguridad y estabilidad de las estructuras de los edificios.
En las estructuras de construcción, entre los materiales estructurales por unidad de área de la estructura del edificio, la cantidad de materiales estructurales utilizados para soportar la carga de gravedad es aproximadamente proporcional al número de pisos del edificio.
Además, la cantidad de material estructural utilizado para el techo de la estructura de un edificio es casi constante y no varía con el número de pisos de la estructura; sin embargo, la cantidad de material utilizado para los miembros estructurales tales como paredes y columnas aumenta linealmente con el número de pisos; número de pisos del edificio, sin embargo, para La cantidad de material estructural que resiste el movimiento lateral aumenta a medida que aumenta la relación entre la cantidad de material estructural y el cuadrado del número de pisos en un edificio.
2. Método de optimización de la confiabilidad
En la selección de estructuras de edificios de gran altura en áreas de desastre sin terremotos, se debe dar prioridad a sistemas estructurales con mejor resistencia al viento, es decir, con coeficientes corporales de presión del viento más altos. Pequeño sistema estructural. Por ejemplo, la estructura del edificio con formas curvas y aerodinámicas es circular, elíptica o un sistema de cono truncado con una estructura decreciente de abajo hacia arriba. El coeficiente de forma del cuerpo de presión del viento es pequeño, lo que es beneficioso para la resistencia al viento. Además, en términos de la disposición plana de la estructura, es aconsejable elegir un tipo de sistema estructural con una forma plana uniforme y simétrica y una distribución de rigidez estructural, que puede reducir en gran medida el impacto de los efectos de torsión sobre la deformación estructural y las fuerzas internas bajo condiciones. carga de viento.
3. Método avanzado de optimización del sistema
Debido a las diferentes prestaciones del edificio, los requisitos de espacio interno también son diferentes. Al mismo tiempo, las funciones de los edificios de gran altura son diferentes y sus planos de planta también han cambiado. Generalmente, las habitaciones en residencias y hoteles deben adoptar planos de distribución de espacios pequeños; los edificios de oficinas son adecuados para espacios grandes y pequeños; los centros comerciales, restaurantes, salas de exposiciones y fábricas son adecuados para diseños de espacios grandes y salones de baile que requieren espacios grandes; No hay columnas dentro de la estructura. Debido a que diferentes sistemas estructurales pueden proporcionar diferentes espacios internos, en la etapa de diseño de la estructura del edificio, primero se debe seleccionar el tipo de estructura apropiado en función de la función de uso de la estructura del edificio.
5. ¿Cuáles son las medidas para optimizar el diseño de las estructuras de los edificios?
1. Diseño de muros de corte reforzados
La investigación experimental sobre los miembros de los muros de corte también muestra que cuando la relación de compresión axial excede un cierto valor, es difícil convertirse en un muro de corte dúctil. Los factores que afectan la ductilidad o la capacidad de deformación posterior a la fluencia de los miembros a flexión incluyen: tamaño de la sección transversal, grado de resistencia del concreto, barras de acero longitudinales, relación de compresión axial, número de estribos, etc. Los factores principales son la relación de presión axial y el valor característico del aro. La pared de la extremidad de la articulación está compuesta por todas las paredes de la extremidad conectadas mediante vigas de conexión, lo que aumenta las limitaciones de la pared de la extremidad. El aumento en la rigidez de las vigas de acoplamiento aumentará inevitablemente la acción sísmica de la estructura, por lo que las fuerzas internas distribuidas entre las vigas de acoplamiento y los miembros de la pared también aumentarán en consecuencia. En este momento, se debe aumentar la cantidad de refuerzo del componente, lo que conduce obviamente a un desperdicio de material.
2. Preste atención a la optimización de los detalles
(1) Mientras nos centramos en el diseño general, también debemos fortalecer el diseño refinado de los componentes locales de la estructura. Por ejemplo, en el diseño de losas coladas in situ, las losas de formas especiales se dividen en losas rectangulares tanto como sea posible, lo que no sólo logra el propósito de una tensión razonable sino que también evita la aparición de grietas en las esquinas.
(2) El número de estribos en la viga del marco inferior del muro sísmico del marco inferior es generalmente mayor. En este momento, si se utilizan barras de acero nervadas laminadas en frío como estribos, se puede reducir el número o el diámetro de los estribos para reducir costos y facilitar la construcción. Además, para reducir la sección inferior, es una buena opción utilizar hormigón de alta resistencia para los componentes de la columna, pero la calidad del hormigón para los componentes horizontales se puede reducir adecuadamente para cumplir con los requisitos de tensión y ahorrar costos.
(3) Combine la tecnología informática con la teoría del diseño de optimización estructural, utilice software de análisis informático para establecer un modelo de análisis para un diseño óptimo, utilice métodos de cálculo de optimización informática eficientes para establecer los requisitos objetivo del diseño estructural y, en última instancia, realizar el diseño estructural. propósito de optimización. En el proceso de diseño de optimización específico, el diseño de optimización en realidad ha pasado de ser un problema de ingeniería a un problema matemático.
3. Aplicación de métodos de optimización del diseño estructural
La aplicación de métodos y tecnologías de optimización del diseño estructural se refleja en el diseño óptimo general de las estructuras de ingeniería residencial y en el diseño óptimo de las subestructuras de ingeniería residencial. . Entre ellos, el diseño óptimo de la subestructura de ingeniería residencial incluye el diseño de optimización del plan de estructura básica, el plan del sistema de techo, el plan de estructura envolvente y el diseño de detalle estructural. El diseño óptimo en los aspectos anteriores también incluye selección, diseño, análisis de estrés, análisis de costos, etc. , y bajo la premisa de cumplir con las especificaciones de diseño y los requisitos de uso, combinados con la situación real del proyecto específico, el diseño de optimización estructural debe llevarse a cabo con el objetivo de obtener beneficios económicos integrales.
4. El valor práctico de los métodos de optimización del diseño estructural.
Bajo la premisa de lograr los beneficios a largo plazo de la estructura del edificio, la inversión a corto plazo en la estructura del edificio debe reducirse tanto como sea posible y se debe mejorar la confiabilidad y racionalidad de la estructura del edificio. En comparación con el diseño tradicional, el uso de tecnología de optimización del diseño puede reducir los costos de construcción entre un 5% y un 30%. La implementación de tecnología de optimización puede hacer el uso más racional de las propiedades de los materiales, de modo que las unidades internas de la estructura del edificio estén coordinadas de manera óptima y tengan la seguridad requerida por las normas de construcción.
Al mismo tiempo, también puede tomar decisiones razonables sobre el diseño general del edificio. La tecnología de optimización es una forma eficaz de lograr el objetivo de "aplicabilidad, seguridad y economía" en el diseño arquitectónico.
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