试论结构设计优化技术及在房屋结构设计中的应用

【摘 要】结构设计优化方法和技术的应用具体体现在房屋工程结构总体的优化设计和房屋工程分部结构的优化设计两方面。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。本文根据结构设计优化技术的分析探讨了房屋结构设计中的应用。

【关键词】结构设计；建筑结构；优化技术；应用

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。

一、结构优化设计的模型和方案

房屋工程分部结构优化设计包括：基础结构方案的优化设计、屋盖系统方案的优化设计、围护结构方案的优化设计和结构细部设计的优化设计。对以上几个方面的优化设计还包括选型、布置、受力分析、造价分析等内容，在实施过程中，还应该按照一切从实际出发的原则，结合具体工程的实际情况，围绕房屋建筑的综合经济效益的目标进行结构优化设计。进行结构设计时，应在满足设计意图后，尽量使平面布置规则，缩小刚度和质量中心的差异，这样水平荷载就不会使建筑物有太大的扭转作用。竖直方向上应避开使用转换层，减少应力集中现象。

1.结构优化设计模型

结构设计优化就是在各种影响变量中选择主要参数，并建立函数模型，运用科学合理的方法得出最优解。结构总体的优化建立模型的大致步骤是：设计变量的合理选择。通常的设计变量选择对设计要求影响较大的参数，将所涉及的参数按照各自的重要性区分，将对变化影响不大的参数定为预定参数，通过这种方法可减少很多计算编程的工作量。目标函数的确定。使用函数找出满足既定条件的最优解。最后，约束条件的确定。房屋结构可靠度优化设计的约束条件，包括了应力约束、裂缝宽度约束、结构强度约束、尺寸约束、从正常时的极限状态下弹性约束到终极状态的弹塑性约束、从可靠指标约束到确定性约束条件等。设计中，要保证各约束条件必须符合现行规范的要求。

2.结构优化设计方案

结构设计优化设计多个变量、多个约束条件，属于一个非线性的优化问题，设定计算方案时，常将有约束条件转变为无约束条件来计算。常用的方法有拉氏乘子法、符合型法等。完成计算方案的设定后只需编制相应适用的运算程序即可得到我们的最终优化结果。

二、结构设计优化技术在应用中的几个问题

结构设计优化方法应用于实践之中，是目前一个比较广泛的课题，利用结构优化的方法在不改变适用性能的前提下达到降低工程造价的目的。结构设计优化设计应用于项目的整体设计、前期设计，旧房改造，抗震设计等设计的各分部环节，发挥着巨大的效益。在按照结构设计优化的方法及模型进行实践的过程中，要注意下面的几个问题。

1.前期参与

因为前期方案的确定直接影响建筑的总投资，而现在存在的普遍问题就是前期方案阶段结构设计并不进行参与，建筑师进行建筑设计时大多并不考虑结构的合理性以及它的可行性，但是建筑设计的结果却直接对结构设计造成影响，某些方案可能会增加结构设计的难度，并使得建筑的总投资提高。如果在方案的初期，结构优化设计就能参与进来，那么我们就能针对不同的建筑类别，选择合理的结构形式，合理的设计方案，获得一个良好的开端。

2.细部结构设计优化

概念设计应用于没有具体数值量化的情况，设计过程中需要设计人员灵活的运用结构设计优化的方法，达到最佳的效果。与宏观把握相对应的，设计的过程同时要注意对于细部的结构设计优化，比如现浇板中的异形板拐角处易出现裂缝，可划分为矩形板。注意钢筋的选择，I级钢和冷轧带肋钢市场价格差不多，但是他们的极限抗拉力却相差很大，所以在塑性满足要求的情况下，现浇板的受力钢筋就可选择冷轧带肋钢筋。在做里面设计的时候，外立面上的悬挑板及配筋，满足基本的规范要求即可，达到既安全又经济的目的。

3.地基基础结构设计

地基基础的结构设计优化首先要选择合适的方案，如果为桩基础，那么要根据现场地质条件选择桩基类型，尽量节省造价。桩端持力层对灌注桩桩长的选择影响很大，应多进行比较以确定最合适的方案。

三、结构设计优化的的功用

1.降低总造价

进行结构优化设计中，多层住宅和高层住宅相比较，层数越多，总建筑面积增大，单位建筑面积占用的土地面积就越小，节约了用地成本，但建筑层数的增多，建筑总高度也会加大，楼与楼之间的间距也要加大，这时占用的土地节约量就不与建筑层数增加比例相同了。对于基础部分而言，虽然也是各层共用的，但是层数增加，传给基础的荷载将会增大，我们需要增大基础，这样单位面积的造价有所降低，但是却没有屋盖的效果那样明显。

2.提高建筑结构经济性

建筑的层高增加，由于墙体面积和柱体积增加，结构的自重会增加，基础和柱的承载力相应增加，水卫和电气的管线会加长；相反降低层高，可节省材料，有利用抗震，同时建筑的总高度减小，两建筑之间的日照距离就会减小，间接的节约了用地。建筑面积相同，建筑使用不同的平面形状时，它的外墙周长也就会不同，这样当选择圆形或是越接近于方形时，外墙周长系数就越小，基础、外墙砌体、内外表面装修都随之减少，同时其受力性能也得到提高，增强了建筑的经济性能。

优化方法的技术性实现，可以最合理的利用材料性能，使建筑结构内部各单元得到最好的协调，不仅可以实现建筑美观、实用，而且在造价方面也有较大的节省，达到了建筑工程设计对适用、安全、经济、美观和便于施工的一般要求。通过使用优化设计手段，达到这5个方面的最佳结合，符合现今建筑商对于建筑结构的效益的需求，也符合市场可持续发展的需求。

结束语

建筑结构的造价在建筑工程中占有较大的比例，结构设计优化技术的应用可以产生可观的经济效益。建筑设计部门和设计人员应严格遵守“经济、适用、合理”的设计原则，精心设计，应用现代化科技手段，选择合理的建筑结构设计方案，实现降低建筑工程造价并取得最大经济效益的目的。

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