探讨优化技术在土建结构设计中的应用

摘要：本文首先阐述了土建结构设计优化技术的现实意义，然后介绍了土建结构设计优化方法和优化技术在土建结构设计中的步骤，最后着重分析了优化技术在土建结构设计中的应用。

关键词：优化技术；土建结构；设计；应用

中图分类号：TU318 文献标识码：A

随着国民经济的发展，人们的生活水平不断提高，同时人们对居住环境的要求也越来越高，在这种背景下，房屋结构设计工作面临着严峻的考验。土建结构设计优化技术就是要根据工程项目的实际状况，通过精确的计算后确定土建结构设计方案。结构设计优化技术能够提高土建的安全性、耐用性以及美学性，基于这种情况，如何将结构设计优化技术有效的应用到土建结构设计当中，成为了建筑领域研究的重点问题，为了满足人们对土建结构的要求，解决这一问题势在必行。

1土建结构设计优化技术的现实意义

土建结构设计优化技术在房屋结构设计中的应用，可以达到“物美价廉”的效果，不但实现了房屋的美观、实用，而且在节省造价方面也有突出的效果。每一个建筑商都希望，在满足建筑结构长远效益的前提下，最大程度地减少建筑结构的近期投资，同时保证建筑物结构的可靠度和科学合理性。

如此，才能实现可持续发展，实现更多、更大的市场收益。与传统房屋结构设计相比，采用设计优化方法则可以使建筑工程造价降低6%～35%。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、经济和安全”目标的有效途径。

房屋结构的优化设计不仅是对房屋质量安全的保障，还是项目效益的关键点。譬如房屋的容积率方面的结构设计，由于容积率是项目建筑面积和占地面积的比值，而占地面积通常是固定不变的，因此层高和栋距成为容积率的决定因素，通过增加层高和缩小栋距，建筑面积将越大，所带来的经济效益可能就越大，但容积率的提高必须掌握在一定的程度内，否则将带来居住舒适程度下降的弊端，也会增大对地基承载力的要求，影响房屋的安全使用。

另外房屋的层数增加，墙体、地基等施工成本也会随之增加，因此如果没有动态考虑成本影响而盲目制定房屋结构设计方案，将会使得房屋建筑陷入成本盲目的状态。

由此可见，土建的结构设计必须进行优化，在技术可行性前提下通过设计内容优化，协调好各部份的功能实现，并最大限度节约造价成本支出，使得房屋建筑达到经济、适用、安全等综合要求。

2土建结构设计优化方法

用于解决优化设计的方法很多，目前没有统一的分类方法。按优化方法的特征可以分为两类，即优化准则法和数学规划法。

2.1 优化准则法

该法是从工程观点出发，提出结构达到优化设计时应满足的某些准则，如满应力准则、能量准则等，然后用迭代法求出满足这些准则的解。这些优化准则大多数是根据已有的实践经验，通过一定的理论分析、研究和判断得到的，所以它是一种工程方法，它所得到的设计通常只是接近最优。优化准则法的主要特点是收敛快，重分析次数与设计变量数目无直接关系，计算工作量不算大，另外，优化准则法原理简单、直观，容易实现。最早提出的准则法是满应力设计，该法认为能充分发挥材料强度的潜力。准则法也可以处理位移、自振频率、弹性稳定等方面的约束条件，通常是从Kuhn-Tucker条件出发建立准则方程。优化准则法的缺点是适应范围有局限性，主要适用于结构布局和几何形式已定的情况。如果需要同时考虑多种约束，变量关系复杂，优化准则法可能效果不太好。

2.2 数学规划法

这种方法是从结构力学的基本原理出发，运用数学规划和优选法等各种方法去寻找设计变量的最优解。数学规划法适用于处理非线性规划问题，在长期发展过程中已经形成了适应各种情况的不同算法，具有通用性，并且有比较严格的理论基础，在一定条件下可以保证至少收敛到局部最优解。目前对于一种特定的结构优化设计，用什么样的优化方法最合适还必须具体问题具体分析，没有一种通用的优化方法。

3优化技术在土建结构设计中的步骤

3.1结构优化模型

房屋结构整体优化设计方法分以按3个步骤进行。首先，选择设计变量。一般把对设计要求起主要影响作用的参数作为设计变量，如目标控制参数（结构造价C1和损失期望C2）和约束控制参数（结构的可靠度PS）；而将那些对设计要求来讲，变化范围不大或是根据结构要求或局部性的设计考虑就能满足设计要求的参数等作为预定参数，这可以大大减少设计、计算和编制程序的工作量；其次，确定目标函数。寻求一组满足预定条件的截面几何尺寸和钢筋截面积以及失效概率，从而使总费用最小；第三，确定约束条件。房屋结构基于可靠度优化设计的约束条件，则包括尺寸约束、结构强度约束、应力约束、变形约束、裂缝宽度约束、构件单元约束、结构体系约束、从正常使用极限状态下的弹性约束到最终极限状态的弹塑性约束、从可靠指标约束到确定性约束条件等。在设计中，要使结构优化设计应用于实际房屋结构工程，则是路房屋结构设计中实际的约束条件与目标约束条件相比较，保证各约束条件都符合现行规范的要求，以实现最优设计。

3.2设定优化设计计算方案

房屋结构基于可靠度的优化设计问题属于比较复杂的多变量、多约束非线性优化问题，在计算过程中，通常是将有约束优化问题转化为无约束问题求解。可以利用的优化设计计算方法有复合形法、拉氏乘子法、Powell法等。

3.3进行程序设计

根据基于可靠度的结构优化模型和选择的优化设计计算方法，编制功能齐全、运算速度快的综合程序。

3.4结果分析

对计算结果进行分析，确定最优设计方案。在执行以上步骤的过程中，必须要全方位、多角度考虑方方面面的问题。这主要是因为建设投资是一项耗资巨大的工程，涉及到的方面比较复杂，因此，必须进行综和考虑，不能仅仅为了节约资金投入而忽视了设计的优化作用。要正确处理技术与经济的对立统一是控制投资的关键环节。设计中既要反对片面强调节约，忽视技术上的合理要求，使项目达不到功能的倾向，又要反对重视技术，轻经济、设计保守浪费的现象。总之，建筑结构优化设计方法的研究是一个非常复杂的综合决策问题。适用、安全、经济、美观和便于施工是进行建筑工程设计的一般原则，而这5个方面各有所重，又互为矛盾，一个优秀的设计往往是这5个方面的最佳结合。我们需在实践过程中多实践、多探索，以最低的造价实现最佳的经济效益，实现经济、合理和美观的设计要求。

4优化技术在土建结构设计中的应用

4.1概念设计优化与土建结构的设计

每一个土建结构的设计方案，都具有多种结构及布局设计，即使建筑物的结构布局已经被确定，并且处于相同的荷载状况，也依然有很多种分析方法。建筑分析中的材料、设计参数、荷载取值等都不是固定不变的，处理建筑物的细节问题也是要随机应变的，尤其是计算机软件不能解决的问题，更需要设计人员亲自来做出分析判断。

概念设计意指设计者遵守房屋结构设计的普遍规律，同时结合工程的实际经验来进行研究设计，概念设计是设计者对多个备选设计方案进行筛选的工作环节。

4.2概念设计处理实际房屋结构设计问题

处理概念设计问题具有多种形式，但是所追求的共同目的是在任何外来影响下，建筑结构都可以稳固应对或者仅是受到很低损害，这也是概念设计中要处理的基本实际状况。

由此可见，概念设计的主要内容即为将建筑物所可能遭到的各种破坏因素以及相应的预防措施。

比如地震灾害是最难以预防和解决的破坏性因素，其严重的破坏性，已经作为了概念设计中的重要课题。

所以房屋结构在设计之时便要提前着手，做好房屋的抗震性能，以提升抗震性能为基础，降低地震对建筑结构危害的主要措施是确保建筑材料的刚度对称且均匀，为了更好地防止地震引发房屋结构的脆性破坏，可以实行延性设计进行减缓；此外房屋结构可以实行多道防御系统，帮助房屋建筑在遭受地震当中分解地震的能量，减少损害度，以上这些抗震设计的思路均为概念设计的主要指导思想。

4.3结构设计中的实用性与艺术性结合

建筑物其实就是建筑师的艺术品，建筑师在设计建筑物的时候，始终期望将自己的意图表达得淋漓尽致，追求艺术性与实用性的最佳融合。结构设计人员首先要保证所涉及房屋建筑的安全性，然后对于建筑的结构形式进行改善，不断完美，以全面体现建筑设计师的美学意图。

在房屋结构设计当中，满足设计师的设计意图是基本标准，平面布局须要精确对称，有规则性，最大限度缩减质量与刚度两者之间的差异，以避免建筑物因荷载作用发生扭转问题。

竖向布局应以满足房屋的功能为基础，确保竖向承重构件上下贯通，使用转换层来降低设计或结构分析的难度与成本。

此外，竖向布局刚度须要实行渐变，以避免应力的过度集中现象，增强房屋结构抵抗水平动力的荷载。

参考文献

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