建筑结构设计中优化方法研究

摘要：与传统的设计工艺相比，结构优化设计方法不仅可以降低工程造价，最合理地利用材料的性能，还可以使建筑结构各单元协调，满足建筑工程规范，实现建筑工程设计的安全、经济、实用目标。本文主要对建筑结构设计中的优化方法进行了分析和探讨。

关键词：建筑结构；设计；优化；方法

中图分类号：TU3文献标识码： A

一、结构优化的理念

在分析过程中，需要在满足各种参数的情况下，并求出满足不同的约束条件，且使得目标函数能得到最小值的设计方法。

(1)数学模型建立:根据需要分析的结构对象，对之进行相对应的数学建模。(2)变量的设计:变量即为可以在某种程度上描述结构的量，包括设计截面的几何参数等信息，可以是柱的高度等等。变量又包括连续性变量和离散型变量，连续性变量可以实现连续变化，而离散的则不能实现连续变化。(3)目标函数:通常可以衡量设计好坏的一个较为重要的指标，可以反应设计的性能，也可以反应一些经济性能。(4)约束条件:通常可以大致的分为几何约束以及性态约束。通常几何约束指的是在几何尺寸等方面加以限制，几何尺寸不会发生太大的变化。而性态约束通常是指的是结构的固有的一些性质，如震动频率等不发生变化。

二、建筑结构设计优化的一般方法

单纯从建筑角度来讲，结构设计优化主要分为房屋工程分部结构的优化设计和总体结构的优化设计两种。一所房屋的设计建造，要根据具体情况，综合考虑房屋建筑的人文要求、经济要求和周围环境要求等。合理充分利用资源，实现各种要素的和谐共存，是建筑房屋结构设计优化的基本理念。

（一）建立结构优化的模型

实现建筑结构设计优化，首先需要建立一个数学模型，重现房屋的各项指标和影响因素间的复杂关系。可以按照以下几个步骤建立模型：

1、合理选择设计变量

设计变量通常优先选择对建筑结构影响大的参数，即和设计目标直接相关的那些内容，如损失的期望C2和结构的造价C1等，还有和限制条件相关的因素，如结构的可靠度PS等；为了减少设计量、计算量和编制程序的工作量，还可以把部分因素用预定参数来代表，这些参数通常具有影响细微、波动不明显的特点，往往通过局部调整或结构本身就能满足相关要求。

2、确定目标函数

出于建造成本的考虑，需要建立一组函数，通过这组函数可以准确描述预定条件中截面几何尺寸、钢筋的截面积和相应的失效概率之间的关系。

3、确定约束条件

房屋建筑安全可靠是房屋结构优化设计必须满足的基本条件，以此出发可以确定优化设计的约束条件。裂缝宽度、结构强度、构件的大小、结构应力、结构体系规格、可塑程度、确定程度等都是常见的约束条件。设计者要充分比较分析目标约束条件和实际约束条件，确保每个目标约束条件都有的放矢，符合实际，从而为设计优化提供根本保障。

（二）设定计算方案

以提高安全性、耐久性和适用性为目标的建筑结构设计优化，往往具有约束条件复杂、变量众多、函数非线性的特点，为了方便分析计算，通常采用将有约束的优化问题转换成无约束的优化问题的方法求解。拉氏乘子法、复合形法、Powell法等都是常用的优化计算方法。

（三）程序设计

由于计算量巨大，计算过程复杂，为提高结果准确性和精度，通常利用程序来实现以提高安全性、耐久性和适用性为目标的房屋结构设计优化的计算过程。编写的综合程序要完全符合优化设计模型和计算方案，并具有功能完整、用途齐全、运转高效等特点。

（四）结果分析

结果分析是房屋结构设计优化过程中非常重要的一步，它直接关系到优化设计方案的最终选择。程序运算的结果只是为房屋结构设计优化提供参考依据和备选方案，并非最终结果。由于上述模型函数主要体现的经济成本上的优化，在结果分析时，设计者需要把更多的因素纳入思考范畴中，在详细地比较分析基础上，选择出最

佳的设计方案。前文已经提到，现代社会的建筑，不仅要满足实用功能，同时还需要满足使用者的审美需求。造价成本和工程质量不再是优化设计的唯二标准。设计者需要从安全性、耐久性、使用功能、经济效益、施工要求、美观程度，以及和周围环境的和谐统一等方面进行全方位多角度的考虑，要分析各种因素的影响，从使用者、建设方等多个角度考虑，综合各方意见进行比较。任何考虑上的偏颇和疏漏都有可能造成建筑设计上的缺陷，从而影响建筑的正常使用。必须平衡使用各种资源，才能实现结构设计的最优化。

三、结构优化设计的应用

把结构优化设计应用于项目的建筑的前期设计、整体设计、抗震设计以及旧房改造等设计的各分部环节，从而创造较大的社会效益和经济效益。因此，在按照结构设计优化的方法和结构优化技术模型进行实践应用的过程中，要注意以下几个方面：

（一）要注意前期参与

在进行设计过程中，前期方案的确定在很大程度上决定着建筑的总投资。如果在进行前期方案结构设计过程存在的普遍问题没有得到及时的处理和解决，就会在一定程度上影响建筑师设计的合理性、可行性以及科学性。在实际中，建筑布局的不规则性往往会给结构设计造成不同程度的影响，这不仅会增大结构设计的难度，同时还有可能会增加建筑设计的总投资。在方案的初期就要采用科学的结构优化设计，配合建筑功能对明显不合理的方案予以否决。同时，可以确定一些结构设计基本参数，不需要等到施工图阶段再研究。参数包括：建筑物所在地、风雪荷载取值、层数、抗震设防烈度和抗震等级、有无不良地质、砖墙材料、当地能施工的最高混凝土强度等级等。

（二）概念设计与细部结构设计优化

由于未能充分考虑结构的空间作用、非弹性性质、材料时效、阻尼变化等多种因素，也存在着不准确性。概念设计就是工程抗震问题不完全依赖“计算设计”解决，而立足于工程抗震基本理论及长期工程抗震经验总结。在进行概念设计过程中，应把握好能量输入、房屋体形、结构体系、刚度分配、构件延性等几个主要方面，从根本上消除建筑中的抗震薄弱环节，再辅以必要的计算和构造措施，就有可能使设计出的房屋建筑具有良好的抗震性能和足够的抗震可靠度。

体现概念设计需要从以下几个方面入手：第一选择工程场址时，应该进行详细勘察，搞清地形、地质情况，挑选对建筑抗震有利的地段，尽可能避开对建筑抗震不利的地段，不得选择抗震危险地段。第二建筑的动力性能基本上取决于它的建筑布局和结构布置。建筑布局简单合理，结构布置符合抗震原则，就能从根本上保证建筑具有良好的耐震性能。第三在建筑的方案设计阶段，研究建筑形式的同时，需要考虑选用哪一种结构材料，以及采用什么样的结构体系。因为不同的结构体系，其抗震性能、使用效果和经济指标亦不同。在选择结构体系的同时，也要考虑建筑物刚度与场地条件的关系，这样才能选择更为合理的基础形式，从体系上完成优化设计。第四合理选择多道抗震防线。一个抗震结构体系，应由若干个延性较好的分体系组成，并由延性较好的结构构件连接起来协同工作。在体系内外部设置较多的赘余度，有意识地建立起一系列分布的屈服区，以使结构能够吸收和耗散大量的地震能量。第五建筑刚度、承载力和延性需要合理协调。结构刚度越大，可以减小结构侧移，减轻地震灾害的损失。但结构刚度大，要求结构具有与较大地震反应对应的较高水平力，同时，提高结构的抗侧移刚度，往往是以提供工程造价及降低结构延性指标为代价的。因此，在确定建筑结构体系时，需要在结构刚度、承载力及延性之间寻求一种较好的匹配关系。第六处理好结构体系中的非结构部件。比如说高层建筑应尽可能地选择轻质填充材料，不仅是为了减轻整个建筑的重量，还是为了减轻填充墙体对整个结构体系的影响。因此需要妥善处理那些非结构部件，以提高建筑的抗震可靠度。

在设计过程中，还要注意对建筑结构细部进行优化。如现浇板结构中的异形板拐角处，这是应力比较集中位置，需要进行加强处理；如果不引起重视，此处就会很容易出现裂缝。“艹”字形、“井”字形等外伸长度较大的建筑，当中央部分楼板有较大削弱时，应加强楼板以及连接部位墙体的构造措施，必要时可在外伸段凹槽处设置连接梁或连接板。楼板开大洞的情况越来越多，楼板开洞削弱后，根据建筑布局情况，可以采取加厚洞口附近楼板，提高楼板的配筋率，采用双层双向配筋；也可以在洞口边缘设置边梁、暗梁；还可以在楼板洞口角部集中配置斜向钢筋。还要注意选择适当的钢筋，根据当地的建筑材料供应情况，做到就地取材。同时在做设计时，外立面上的悬挑板配筋，既要做到安全要求，又要满足施工要求，实现较好的效果。

（三）下部地基基础优化设计

地基基础的优化设计不仅可提高整个建筑的稳定性，还可能直接影响整个工程的总造价。因此，在建筑设计中要根据上部建筑的结构体系及建筑场地的关系，选择科学合理的方案。若场地条件满足天然基础要求，往往首选天然基础，因为造价要相对低一些。若要选择桩基，需根据现场地质条件、水文环境以及施工条件选择合适的桩基类型，最大限度地降低工程造价和投资。因为在实际施工过程中，桩端持力层深度决定着灌注桩桩长及基础施工工期。所以要对方案进行比较，尽量做到科学合理，经济可行。在遇到有溶洞的建筑场地时，应探明溶洞分布情况、大小及溶洞深度，根据溶洞上部土层情况选择方案。若溶洞比较稳定，且溶洞上部土层可以作为基础持力层，应选上部土层作为基础持力层，尽量避开处理溶洞。有时还要比较溶洞处理和减少上部建筑重量对投资的影响，两者需要择优选择。

四、结语

为了达到安全经济的原则，就需要在建筑结构设计中，采取优化设计方法，利用有限的空间和资源，发挥最大的效用，做到工程的安全性、经济性、实用性和科学性。

参考文献：

[1]何冬霞.建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的实际应用[J]. 中华民居(下旬刊),2013,10:18-19.

[2]周汉杰.建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用[J]. 中华民居(下旬刊),2014,01:117.

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