结构优化技术在建筑领域的应用

摘要：结构设计的目标应该是在提高结构整体稳定性和强度的基础上不断加强空间利用率、提高建筑舒适度和性价比等。本文首先简单介绍了建筑结构优化设计及其基本原则，然后阐述了建筑结构优化设计的具体措施。

关键词：建筑结构；优化；整体布局

中图分类号：TU3文献标识码： A

随着现代城市进程的不断加快，城市建筑的功能化和多元化要求也越来越高，人们在追求建筑安全和质量可靠的基础上，更加开始注重建筑的舒适度、环保性等。轻质高新材料和新的设计理论的快速发展，和现代信息技术的不断应用，为建筑结构的改善提供了更强大的技术基础。建筑结构的优化设计，在现代提倡的可持续发展和节能环保大环境背景下会越来越有必要。因此，加强有关建筑结构优化设计的探讨，对于提高建筑结构的良好性能和建筑的整体质量具有非常重要的理论和现实意义。

1、建筑结构优化设计及其原则

1.1 建筑结构优化设计。

建筑结构优化设计是指在符合各种特定要求和某些规范条件下，能够使结构的刚度、造价、重量等目标达到最优的设计方法。优化设计就是在可用的设计方案和措施中选择最为有效和高质的方法。

结构优化设计的过程一般是条件-分析-搜索-最优设计，其始终综合性的结构分析过程。搜索是指对结构设计方案进行修改和优化的过程，它首先会分析设计方案能否符合各种目标条件，如果不能，则对其进行规则性的修改，从而逐渐接近预期目标。结构优化设计的实质目的就是在所有的可选设计方案和措施中选择造价最低、材料最省、最接近预期目标的方案，这样结构设计实际就是在“比较和分析”基础上逐步演变成“优选和综合”过程，这对于工程结构质量和经济效益的提高具有重要作用。

1.2 建筑结构优化设计的原则

1.2.1安全性。安全性是建筑结构设计中的首要考虑因素。建筑结构优化设计中，要在设计阶段、决策阶段综合考虑建筑的安全性，在保证建筑结构安全可靠的基础上开展的优化。

1.2.2 经济性。建筑结构优化设计的经济性原则是指能够在新的市场经济条件下完善资源配置，就是在建筑结构的优化设计过程中，能够对各类资源材料实现最高的利用率和最大程度的节约，从而最大化的节省成本。此外，对于部分稀缺材料的应用，在建筑结构优化设计中要尽可能减少材料使用量，减少建材使用成本。

1.2.3 功能性。建筑的主要作用就是为人类提供重要的生存环境，因此建筑结构优化设计的最终目标也是尽最大可能满足人们的各种建筑需求。现代结构设计中除了要加强传统的使用功能，还要不断提高建筑的协调性、智能化、美观性和舒适性等，以此不断使最大限度的发挥建筑的功能性需求。

1.2.4环保性。环保性原则是现代建筑设计中必须重视的一条重要原则。建筑结构优化设计应当通过整体布局环保、建筑材料环保等多方面来实现建筑的可持续发展。在建筑的整体布局中，要在加强建筑结构主体环保的基础上，不断改善建筑过程中废旧材料的利用率和提高建筑未来使用中对环境的适应。在选择建筑材料时，应当在确保建筑安全性和功能性的基础上，加强对环保型材料的选取。

2、建筑结构优化设计的具体措施

2.1结构基础形式的优化。由于基础费用占项目土建总造价比例较大，且其安全度通常需高于上部结构，因此基础优化从两方面阐述：（1）重视对地质报告的研究分析，了解各种地基的变形特性，结合上部结构的不同条件，通过整体的分析计算，选择适宜的基础方案；（2）重视概念设计，根据基本理论知识以及丰富的实践经验，分析、预见可能出现的各种问题，找最合理的处理方案。

2.2结构上部形式的优化。建筑类型和功能要求的不同决定了建筑结构形式的不同，这里主要从三方面阐述：（1）平面布置在基本满足建筑师设计意图的基础上,平应尽量规则、均匀、对称，尽量缩小质量中心和刚度中心的差异；（2）竖向刚度在满足建筑功能要求的前提下，宜渐变，避免突变；（3）传力路径力求简洁清晰，以最直接的方式将楼面上的荷载传递到主梁上，再由柱,剪力墙等传递到基础、地基。

2.3 多程序计算的比较。不同程序不同的程序，由于技术模型和计算假定的不同，计算结果会有不同。应在设计中仔细的分析和比较多个程序的计算结果。不是简单的应用程序的计算结果，而是分析、比较、判断，进而对计算结果进行合理的调整和取用。这不仅需要结构工程师做大量计算工作，更重要的是运用以往工程经验对计算结果做出合理有效的判断。计算和分析清晰了，就可以作到心中有数，配筋的时候做到有的放矢，控制关键部位的配筋，减小不必要的配筋，不靠盲目加大配筋保证安全，而是靠计算的精准保证结构的安全并实现采用较小的用钢量的目标，从而达到优化成本目的。

2.4 构件截面和配筋优化。配筋时要注意计算结果的合理取用，遵循“强柱弱梁，强剪弱弯，强节点，强锚固”等重要抗震概念。在满足计算的情况下禁止随意放大钢筋，所选钢筋既要综合考虑构件在强度、挠度、裂缝等方面的要求，也要兼顾施工上的方便和可操作性。

2.5 构造措施的优化。在通用的钢筋混凝土结构中，应当尽可能选用高质量和高标号的混凝土，并利用高强度钢筋，以在提高结构强度的基础上减少钢筋用量，减小构件截面，降低自重，减小地震力，节省成本；采用轻质、节能、环保的内隔墙材料，可以降低自重，减小地震力，从而减少整个结构的钢筋和混凝土用量。在大高层建筑中，应当尽量选用预应力混凝土和型钢混凝土作为大跨度结构、受力衔接点和结构转换层的基本材料，以最大限度提高建筑的安全性和功能性。另外，要加强对抗震性、抗土性、抗水性材料的选择，以减少突发性洪水、地震等自然灾害的危害。

3、结论

建筑结构的优化设计，是满足建筑的多元化和多功能性要求的重要手段。因此，结构设计人员应当在坚持安全性、经济性、功能性、环保性原则的基础上，不断拓展建筑结构优化措施和技术，提高结构优化技术的应用水平和能力，以有效提升建筑结构的整体性能和质量。

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