结构设计优化在建筑结构设计中的应用探究

[摘 要]近年来，随着人们生活水平的提升，物价波动日益剧烈，建筑施工成本也日益攀升。在目前的建筑工程项目中，工作人员利用结构优化的方法来进行建筑房屋设计已成为提高施工利润和建筑资源最优化的关键环节，这种优化技术方式的应用为房屋结构设计的顺利进行提供了有力的基础。本文在此对结构设计优化在结构设计中的应用做了一定的研究。

[关键词]结构；应用；概念设计

中图分类号：TU318 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）18-0238-01

一、房屋建筑施工中结构设计的优化

房屋建筑施工分部结构优化主要是指，基础结构方案的优化设计、围护结构方案的优化及结构细部的设计优化。其次，还包括对选型、布置、受力分析、造价分析等方面的优化。

1、结构优化设计的分析

在各种对变量受到影响的过程中选出最为关键的参数，并构建函数模型，结合科学有效的方法进行分析。其结构设计的总体优化分析主要采用以下方法：首先，对设计变量的正确选择。正常情况下，在对设计变量进行选择时，应采用影响相对较大的参数，使涉及到的参数能够按其重要性进行明确的划分，将变化影响不大的参数划分为预定参数，通过此类措施可以将设计编程中预测工作量进行控制。其次，对目标函数的确定。利用函数来挑选出符合条件的最优解。然后，对条件的确定进行约束。在房屋施工中其结构的可靠度进行优化设计的约束条件主要包含以下几部分内容：应力约束、裂缝宽度约束、结构强度约束、尺寸约束等，在设计过程中，应确保各类约束条件能够符合现有规范的相关要求。

2、结构设计方案的计算

结构设计优化设计作为一个非线性的优化问题，主要通过多个变量及多个约束条件表现出来。在对优化方案进行计算设计时，应使原有的约束条件转化为无约束条件来进行计算。常采用的方法主要有：拉氏乘子法、符合型法及Powell等。在对设计方案进行制定以后，需要对运算程序进行编制，能够促使计算出的结果符合最优效果。

二、结构设计优化技术在建筑结构设计中的应用

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。

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进行实践的过程中，要注意下面的几个问题：

（1）结构设计优化应注意前期参与

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）概念设计结合细部结构设计优化

概念设计应用于没有具体数值量化的情况，例如地震设防烈度，因为它的不确定性，计算式难免与现实有较大的差异，在进行设计的时候就要采用概念设计的方法，把数值作为辅助和参考的依据。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）下部地基基础结构设计优化

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、房屋结构进行优化设计的措施

1、选择节能指标较高的结构类型

选择不同的房屋结构形式，也就相当于选择了不同工程造价的建设模式，最为常见的结构设计模式有如下三种：1）剪力墙结构，该种结构形式一般适用于高层建筑，是混凝土结构技术规程的进一步延伸。相较短肢剪力墙而言，该种结构形式拥有更高的抗震级别，另外，在构造钢筋使用数量方面也较少；2）框架结构。不仅具有大开间的特点，而且具有布局灵活的优势，还具有造价成本较低的优点，其缺点是抗震能力不强，由于柱截面较大，容易形成的柱角等凸出，给家具布置带来了诸多不便；3）框架一剪力墙结构。该种结构是指将一定数量的剪力墙有机地融入到框架结构中。该种结构合理大方，具有较强的适用能力，可以承受各种不同的变形压力，经实践证明是一种抗侧力较好的结构。

上述三种结构模式各具优缺点，所以，在选择结构模式的过程中，不可以片面地认为所谓科学合理的方案指的是造价最低的方案，除此之外，应根据房屋业主的具体需求，还有建设单位的投资水平以及施工能力等各方面条件对结构类型的选用展开综合分析。

2、结构设计信息优化技术

对房屋建筑结构进行设计的过程中，将会受到多种设计变量条件的影响，所以，采用单一的方法对结构优化进行优化，是很难做到的。考虑到房屋结构设计本身所具有的复杂性，需要研发一种既简单又实用的参数定义优化软件，从而减轻设计者进行结构优化时的工作压力，以实现精力及时间的节省。目前，房屋结构优化领域较为常用的系统是TBCAD系统。该种系统是针对结构方案设计、建模、分析以及评估等步骤为一体的成本控制软件系统。系统的信息通常被分成两个时间段进行优化，第一个时间段是通过对材料的分配调整，利用最少的混凝土用量以达到侧向刚度的最低要求，该时间段中，系统的目标函数是混凝土的使用量，而结构构件的断面大小则被视作设计的变量。第二个时间段将会对构件的强度进行优化，通过对构件结构的断面大小以及钢用量的适当调整，只需要相对较少的结构造价便可实现构件的强度要求。

四、结语

综上所述，采用结构设计优化方法可以使建筑工程造价降低6%-34%。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。