建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用

牛海燕

摘 要：一个建筑要达到精美的效果，设计师需要把其美观设计与结构设计紧密结合起来。在房屋结构设计中，要采取适用、经济、安全、便于施工和美观这五种效果措施。房屋结构设计中，应用建筑结构优化设计方法可以满足这一要求，保证建筑美观、造型优美，同时又能够便于房屋的施工，使房屋安全、经济、适用。在进行建筑设计的实践过程中，应加强实践探索，降低经济成本，以达到经济效益的最大化，从而在保证经节约经济成本和达到美观要求的情况下合理进行结构设计。

关键词：建筑结构设计 优化方法 房屋结构设计

中图分类号： TU318 文献标识码： A 文章编号：

建筑是一项关于凝固的艺术，一个建筑要达到精美的效果，设计师需要把其美观设计与结构设计紧密结合起来。为实现在有限的空间、有限的资源的情况下，发挥出最大效果，最终达到经济化、实用性和适用性的良好目标，在房屋结构设计中，要采取适用、经济、安全、便于施工和美观这五种效果措施。而在房屋结构设计中，应用建筑结构优化设计方法可以满足这一要求，保证建筑美观、造型优美，同时又能够便于房屋的施工，使房屋安全、经济、适用，从而真正成为“经济适用”房。

一、结构设计优化方法的理论基础

在进行工程项目和结构设计的过程中，需要考虑的因素很多，最终目的是要在保证设计对象基本适用功能和安全可靠性的情况下，把设计对象设计到最好的程度。这就涉及到工程和结构最优化的问题。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。

从建筑理论上分析结构设计优化方法可以得知，结构设计优化方法主要体现在两个方面，其一是房屋工程部分结构的优化设计，其二是房屋工程结构总体的优化设计。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 ，应遵循一定的原则，结合具体工程的实际情况，从实际出发，围绕房屋建筑的综合经济效益目标进行结构优化设计。

在设计安全被保证的情况下，建筑师应开拓创新，挑战新的结构形式。在建筑结构设计的过程中，建筑师的设计意图应能够得到基本满足，应设置尽量符合规则的平面布局，使其对称；同时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于产生太大的扭转效应。在竖直方向的布置上，应确保在满足功能要求的情况下，尽最大可能贯通竖向的承重构件；为使结构分析和设计上的难度不致于太大，减少不必要的经济浪费，使应力分散，转化层应尽可能少地使用；竖直方向的刚度要渐变，而不要突变，如若不然，在水平荷载作用下，突变处会产生严重的应力集中现象，这是非常不利于结构抵抗水平动力荷载的。

二、结构设计优化技术的意义所在

在房屋结构设计中运用建筑结构设计可以起到非常好的效果，这不仅可以使房屋看起来更加美观，用起来更加实在，而且也能够节省大量的造价，起到良好的效果。几乎每一个建筑商都希望，在建筑结构的长远效益得到满足的情况下，应尽可能地降低建筑结构的近期投资，与此同时，保障建筑物结构的可靠性和科学性。只有这样，才能顺利实现可持续发展，得到更多、更大的经济效益。

采用设计优化的方法与采用传统房屋结构设计方法相比优点是十分明显的，它可以使建筑工程造价得到大幅度降低，降幅达到35%。要实现优化方法的技术性问题，材料的性能要合理利用起来，争取协调好建筑结构内部的各单元，达到建筑规范所规定的安全水平。同时，优化方法的技术性实现还可以合理决策建筑整体性方案设计，它可以有效实现建筑设计的经济化、实用性和适用性的良好目标。

三、结构设计优化技术在建筑结构设计中的步骤

（一）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。

（二）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，一般情况下，在计算过程中，应转化问题求解，即将有约束优化问题转化为无约束问题。可以利用起来的优化设计计算方法有复合形法、拉氏乘子法、Powell 法等。

（三）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。

（四）结果分析

对计算结果进行分析 ，确定最优设计方案。

在上述步骤的执行过程中，涉及的问题包括多个方面，所以要全方位、多角度地考虑。这主要是因为建设投资这项工程的耗资非常大，涉及到的情况非常多，所以，总法则和考虑必须综合进行，不能片面地追求资金的节约而不顾设计的优化作用。技术与经济之间存在一对矛盾，要能够正确处理，因为它是控制投资中至关重要的环节。因此，在设计中片面强调经济节约是不正确的，应满足技术上的相应要求，使项目达到相应的功能倾向，与此同时，要反对重视技术，轻经济、设计保守浪费的现象。

总而言之，建筑结构优化设计方法的研究涉及面广泛，具有十分复杂的特点，是一项综合决策问题。适用、经济、安全、便于施工和美观是建筑工程设计优化追求的五种效果，而这五个方面的侧重点各不相同，相互之间又存在一些矛盾的地方，一个优秀设计的出现往往是这五个方面的最佳结合。所以，在进行建筑设计的实践过程中，应加强实践探索，降低经济成本，以达到经济效益的最大化，从而在保证经节约经济成本和达到美观要求的情况下合理进行结构设计。

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作者简介：牛海燕(1971.7--)，性别，女,民族，汉,籍贯:河北省昌黎县，大学本科，工程师，研究方向：结构；从事的工作:工业与民用建筑设计。