建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的现实应用

邹 俊

重庆市设计院，重庆 400015

建筑是凝固的艺术，精美的建筑是设计师把建筑的美观设计与结构设计相互密切配合的结果。房屋结构设计追求适用、安全、经济、美观和便于施工五种效果，来提高有限空间、有限资源的最大化效果发挥，实现经济化、实用性和适用性的良好目标。而建筑结构设计优化方法的应用则既能满足建筑美观，造型优美的要求，又能使房屋结构安全、经济、合理，成为实质意义上的“经济适用”房。

1 结构设计优化方法的理论体现

在从事工程项目和结构的设计时，除了要考虑设计对象的基本使用功能及安全可靠性外，还应该考虑到把它设计对象设计得尽可能完美。这就是工程和结构的最优化问题。用科学的语言来描述就是：利用确定的数学方法，在所有可能的设计方案的集合中，搜索到能够满足预定目标的、最令人满意的方案。

结构设计优化方法从建筑理论上分析，具体体现在房屋工程分部结构的优化设计和房屋工程结构总体的优化设计两方面。后者的优化设计包括：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。穿插其中的，还包含选型、布置、受力分析、造价分析等项目，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。

建筑师在保证设计安全的前提下，应该敢于挑战新的结构形式。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。

2 结构设计优化技术的现实意义

建筑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%。优化方法的技术性实现，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。

3 结构设计优化技术在建筑结构设计中的步骤

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，必须进行总法规和考虑，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。

[1]翁维素.运用系统思想，优化工程结构设计，实现节约目标[J].河北建筑工程学院学报，2008(3).

[2]蒋启平.工程结构优化设计的新方法[J]工业建筑，2001(3).

[3]张爱民.建筑结构优化设计探讨[J]科技创新导报，2009(34).

[4]侯贯泽，刘树堂，简国威.工程结构优化设计理论与方法[J].钢结构，2009(8).

[5]谈建筑结构的优化设计[J].建筑科学，2009(4).

[6]张红友.优化结构设计减少建设投资成本[J].陕西建筑，2008(11).