刍议建筑结构优化设计探讨

【前言】刍议建筑结构优化设计探讨由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。1. 建筑结构优化设计的原则 建筑结构设计不仅仅包括建筑的结构本身，而且包括建筑的经济效益、居住的舒适度及建筑空间的使用率等等。所以建筑结构设计需要严格按熙一定的基本原则。 （1）使不规则建筑平面布置产生规则结构效应的原则。在建筑结构优化设计的过程中，需...

摘要：结构师在保证安全性的前提下，当然应该敢于挑战新的结构形式，使建筑师的意图得以实现。在建筑结构设计的过程中，在基本满足建筑师设计意图的基础上，平面布置应尽量规则，对称，尽量缩小质量中心和刚度中心的差异；使建筑物在水平荷载作用下不致产生太大的扭转效应。

关键词：建筑 结构设计

中图分类号：TU318 文献标识码： A

引言：任何一幢建筑的结构设计方案提出之后，从结构选型和构件布置开始就已经存在是否优化的问题，再加上随后的每一个设计程序也都需要结构工程师去进行精心思考、准确计算和合理选用建筑材料等全过程的优化设计，才能最终产生优化的结构。结构优化设计不应仅仅在结构本身，而是应包括建筑的各方面，比如，提高建筑空间利用率、增加建筑投入使用后的舒适度和提高建筑的经济效益（性价比）等。为此，科学地确定建筑结构优化设计几项基本原则并有效地按照这些基本原则去进行建筑结构设计，是非常重要的。

一、建筑结构优化设计

1. 建筑结构优化设计的原则

建筑结构设计不仅仅包括建筑的结构本身，而且包括建筑的经济效益、居住的舒适度及建筑空间的使用率等等。所以建筑结构设计需要严格按熙一定的基本原则。

（1）使不规则建筑平面布置产生规则结构效应的原则。在建筑结构优化设计的过程中，需要根据不同功能的需求，通过对调节墙柱的布局和墙肢长短，使建筑结构达到经济结构和安全使用的目标。

（2）提高建筑居住舒适度的原则。建筑居住的舒适度是建筑结构优化设计的出发点和落脚点。为提高建筑居住舒适度应该从建筑结构、装饰装修、电气安装等各方面进行整体优化设计。

（3）保证建筑结构整体安全度的原则。建筑结构的安全性主要体现在建筑的抗震设计，其标准已在我国的《建筑抗震设计规范》被提出。因此需要保证结构设计涉及到的每个部件承载能力的可靠性，最终到达建筑结构安全经济耐久的目标。

（4）针对不同构件采用不同安全系数的结构优化设计的原则。如果为了确保建筑的整体安全性而不分构件的实际承载能力，对所有构件均给予相同的安全系数，这样反而会导致结构设计的不合理。可以根据建筑不同部位的承载能力设计其需要的安全系数，达到整体优化的目标。

（5）降低建筑结构造价的原则。在保证建筑结构整体性能达到指标的前提下，尽量考虑建筑的经济性。

2. 结构设计优化方法的实践价值笔者认为，在满足建筑结构长远效益的前提下，应尽量减少建筑结构的近期投资并提高建筑结构的可靠度和合理性。与传统设计相比，采用设计优化技术可以使建筑工程造价降低5%～30%。优化技术的实现，可以最合理的利用材料的性能，使建筑结构内部各单元得到最好的协调，并具有建筑规范所规定的安全度。同时，它还可为建筑整体性方案设计进行合理的决策，优化技术是实现建筑设计的“适用、安全和经济”目标的有效途径。

二、建筑结构经济设计分析

1. 结构设计与用地的关系多层或高层住宅建筑中，总建筑面积是各层建筑面积的总和，层数越多，单位建筑面积所分摊的房屋占地面积就越少。但随着建筑层数的增加，房屋的总高度也增加，房屋之间的间距也必须增大。因此，用地的节约量并不随建筑层数的增加而按同一比例递增。

2. 令不规则建筑平面布置产生规则结构效应的原则

有规则建筑体型和平面布置的结构，因其受力较简单，造价相对较低。但由于不同使用功能的需要，建筑的体型和平面布置是多种多样的，不可能因结构要求规则而对建筑设计师的创作提出无理要求，倒是可以在满足不同使用功能的前提下，通过对结构墙、柱的布局和墙肢长短的调节，使不规则的建筑体型和平面布置产生规则结构的效应，同样可以使建筑结构达到经济结构和安全使用的预定目标。

当然，从理论上讲，任何建筑体型都有一种相对比较规则的结构受力方案，因为当建筑体型确定以后，整体建筑的形心和质量中心（重心）就也确定了，结构设计师在设计时只要使结构的荷载中心和刚度中心尽可能地接近乃至重合，该建筑结构就基本具备了稳定和规则性的条件，而且，楼层平面面积越大，内部可分隔的空间越多，就越能做到规则的结构布置，建筑结构的整体稳定性和安全度就越有保障。从力学观点来说，结构的荷载传递路径应力求简单和直接。建筑结构中空间关系较复杂的部位，在设计时常会出现多次转换的结构构件，犹如转换层，这样，会导致造价提高，也容易发生因失稳而引起的安全问题。结构构件的传力途径有多种多样，其支撑构件也可根据传力需要按科学、合理的方案进行变换，因此，可以说没有固定不变的结构布置，也没有一成不变的传力途径。而如果设计师采用最直接、最简单的传力途径，就可以省去许多中间传递的结构构件，从而也可减少结构的安全隐患，使结构受力更明确，材料更省，其造价自然也会更低些。

3. 高层住宅结构设计与经济性的关系住宅的层高直接影响住宅的造价，因为层高增加，墙体面积和柱体积增加，并增加结构的自重，会增加基础和柱的承载力，并使水卫和电气的管线加长。降低层高，可节省材料、节约能源，有利于抗震，节省造价。同时，除降低层高可以减少住宅建筑总高度，缩小建筑之间的日照距离，所以降低层高能也取得节约用地的效果。

在相同建筑面积时，住宅建筑平面形状不同，住宅的外墙周长系数也不相同。显然平面形状越接近方形或圆形，外墙周长系数越小，外墙砌体、基础、内外表面装修等也随之减少，并且受力性能好，造价会降低。考虑到住宅的使用功能和方便性，通常单体住宅建筑的平面形状多为矩形。

三、结构设计优化技术应用分析

1. 直觉优化（概念设计优化）技术与建筑结构设计对于同一建筑方案，可以有许多不同的结构布置设计；确定了结构布置的建筑物，即使在同种荷载情况下也存在不同的分析方法；分析过程中设计参数、材料、荷载的取值也不是惟一的：建筑物细部的处理更是不尽相同，这些问题是计算机无法完全解决的，都需要设计人员自己作出判断。而判断只能在结构设计的一般规律指导下，根据工程实践经验进行，这便是前面所说的概念设计。因此，概念设计存在于设计师对多种备选方案进行选择的过程中。

2. 概念设计处理的实际建筑设计问题概念设计所要处理的问题多种多样。但可以肯定的是希望通过概念设计，建筑结构能在各种不期而遇的外部作用下不受破坏，或将破坏程度降至最低。因此，分析如何应付建筑物可能遭遇的各种不确定因素成为概念设计的重要内容。其中，地震作用最为难以琢磨，破坏性也最大。故而，建筑设计过程中就应该未雨绸缪，从计算及构造等各个方面都要采取一些有助于提高抗震能力的措施，不利于抗震的作法则应尽量避免。刚度均匀、对称是减小地震在结构中产生不利影响的重要手段；延性设计则能有效地防止结构在地震作用下发生脆性破坏；多道设防思想能使建筑在特大地震作用下次要的构件先破坏，消耗一部分地震能量。这些抗震设防思想在整个设计过程中都应该作为概念设计的重要指导思想。

结束语：

建筑是凝固的艺术，建筑师总是希望通过建筑物表达自己的设计意图，力求艺术性和实用性的完美结合。结构师在保证安全性的前提下，当然应该敢于挑战新的结构形式，使建筑师的意图得以实现。在建筑结构设计的过程中，在基本满足建筑师设计意图的基础上，平面布置应尽量规则，对称，尽量缩小质量中心和刚度中心的差异；使建筑物在水平荷载作用下不致产生太大的扭转效应。竖向布置上，在满足功能要求的前提下，尽量使竖向承重构件上下贯通；能不使用转换层的就应避免使用，以减小结构分析和设计上的困难，另外也不经济，还容易造成应力集中；竖向刚度最好不要突变，而要渐变，否则突变处在水平荷载作用下会出现严重的应力集中现象，这对结构抵抗水平动力荷载是十分不利的。

参考文献：

[1] 汪树玉.结构优化设计的现状与进展[J].基建优化，2007：12-13.

[2] 张炳华.土建结构优化设计[M].上海：同济大学出版社，2008：34-36.

[3] 蒋启平.工程结构优化设计的新方法[J].工业建筑，2008：15-16.[J].工业建筑，2008：15-16