试析建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的实践

徐克铣 胡燕

【摘要】建筑的结构设计在房屋结构中的影响较大，结构的设计优劣直接关系到房屋的后续施工安全和房屋使用人的安全。建筑设计的优化方法主要对房屋结构的设计要求具有安全性，同时强调经济性，降低建筑工程的成本造价。本文试对建筑结构设计优化的方法在房屋结构设计中的实践应用做一探讨。

【关键词】建筑结构；设计优化方法；结构设计；实践

建筑结构在建筑项目的总体费用较大，占建造工程款较大份额，通过对建筑结构进行优化设计方法，对节省建筑项目的费用具有较大经济效益和经济价值。良好的建筑结构设计需要设计人员对建筑的构架和建筑的设计进行美学上的相融合，建筑设计应在兼顾美观性和经济适用性、安全性等方面，进行房屋结构的设计工作。相关经济设计师和有关建筑设计的单位应从既经济又适用的角度出发，对建筑结构进行科学合理的设计，运用先进的科学手段，选择适用的结构，充分实现房屋结构设计的经济最大化，在相关设计时还应照顾到经济与适应性、安全性。要充分利用建筑结构优化技术，在尽可能有限的空间和有限的资源中把建筑工程的质量提高上去，使房屋的结构优化设计能够实现其安全性和适用性、美观性的房屋建筑优化的目标。

1、建筑结构设计的优化方法

对于结构设计中，如果出现优化的变量减少，可用一些简便方法进行计算。如图解和解析方法，可在相关的设计空间内，计算可行域及其目标函数等值面，然后在图形上找到可行域内，能够使目标函数值达到最小的设计点位置，即可进行相关设计优化，在问题较为简单时，运用解析方法可迅速解决。如果问题较为复杂，要从工程力学的观点，对结构的优化设计进行计算，运用相关原理和准则，如同步失效准则和满应力准则等，最后用迭代方式算出优化之后的解。

在优化设计实践中，对优化设计的同步失效准则法进行设计，通过对荷载作用，把所有会发生破坏的模式能够同时实现的结构作为最优结构。这种设计方式有很多显而易见的缺点，因为会用到解析方式进行代数计算，这种优化设计只能用来对简单的优化设计元件进行优化。如果约束数比设计变量大的情况下，就应该对破坏模式要同时发生再给出相关的优化设计，这种优化设计是较为复杂和困难的。如果设计变量与约束数等同，也不能保证所得到的解能够最优。

在运用满应力准则法时，能够尽较大能力地发挥材料强度的潜力，在结构优化中是较为明显的标志，主要是用杆件满应力为准则来进行设计优化，在相关杆件系统中应用较多，在运用满应力准则的基础上，在复杂结构中发展了和射線步相结合的齿形法。

在结构优化的相关方法实践中还可以用数学的规划方法进行实践设计。例如运用线性规划，在目标函数以及约束方程的设计变量情况中，都是线性函数的解法较为容易，可用单纯形法进行解出。如果目标函数以及约束方程的设计变量是非线性函数，那么就需要用非线性规划解出，结构优化由很多都是约束的非线性规划问题，此类问题较为复杂、难度较高。现在大部分情况主要有几种类型，在只需要导数并不必作转换的分析如可行方向的方法，也有不需求导数、也不作转换，这种方法是直接进行搜索，称之为复形法。还有一些用线性规划进行逐次逼近的方法，例如序列线性规划的方法，还要转换成无约束极值的问题，进行求解的方法，例如罚函数法和乘子法。对于目前，还有一种方法为启发式算法，这些算法在结构优化领域得到了一定程度的应用，如遗传算法和模拟退火算法以及神经网络的算法。同时，对混合法的规划应用中，较为常用的方法是对数学规划和准则法的同时使用。

2、房屋结构设计优化在实际中的意义

结构优化能够在降低建筑总造价中具有重要意义，在结构优化设计中，通过比较高层与多层的住宅进行比较，会发现随着层数的增加，在建筑总面值的增加中，单位建筑面积对土地占用面积就会越少，能够节省大量的土地成本，但在建筑层数不断增加，对建筑的高度也会相应增高，建筑物之间的距离就要有更大的间距。此时对于土地的节省与建筑物层数增加的情况相同。在屋顶的楼盖部分，再多的楼层也只需一个屋盖，不会因楼层的增加而增多，所以它的成本会明显下降。对基础部分来讲，各层共用时随着层数增加，基础的荷载就会加大，必须进行基础的增大，导致单位面积降低造价，却无屋盖的效果明显。

结构优化设计的意义在于能够提高建筑结构的经济效益，通过建筑物的楼层的增多，对于墙体面积和柱体积增加，相应的辅助设施也会相应增加，其管道的铺设也会增加，结构的自重增加。但如果对楼层减少，可减省相应的结构，还可有效抗震，建筑之间的日照充足，土地间接节省。在建筑的面积相同，建筑的不同平面的形状不同，其外墙的总周长也会相应增加，如果选用圆形和方形作为外墙构造时，外墙的相对系数就会减小，对于外墙的相关墙体和粉刷、装修变得经济实惠，对建筑的相关经济效益起到较大作用。对价值的经济性得到了增强，这种优化技术能有效节省建筑的造价，使建筑工程的设计达到相应的标准和要求，符合房屋建筑结构的总体效益。相比与传统的建筑结构设计，经过优化的房屋建筑设计不仅能达到其经济和适用的要求，对房屋的美观程度有较大的改善，而且节省了不必要的建筑工程开支。

3、房屋结构的设计优化技术应用实践

在房屋结构的设计规则中，对于采用结构优化的设计方法，在目前建筑行业中应用较为普遍，在实际的运用中采取结构优化的设计方案，在适用性上达到相关设计要求并节省项目费用。通过在工程的设计前期和相关综合的设计中合理采用结构优化设计方法，主要在旧房的改造问题、抗震性及其他的步骤上，在房屋结构设计优化的技术实践中，应着重注意一些细节。

在结构设计优化的前期工作要注意，在前期的规划中关系着建筑项目的总体需求，前期规划没有把结构优化融进去，一些建筑设计师并没有在规划房屋时把合理性和易于实现性考虑进去，结构设计会受制于建筑设计方案，一些规划也会对结构设计提高其设计的复杂和难度，给建筑的成本增加了负担。在进行设计优化时，对其结构设计的优化在前期的规划融入进去，可根据建筑物的各种特征，选择最优的架构，进行采取较为理想的设计方案，才能把结构设计优化好。

在概念设计能够在没有详细数值的情况下广泛地运用，例如在对抗震的预防方面，因为具有不定性，计算不可能避免和实际的情况存在一些差别，在房屋结构设计的相关工作中，运用概念设计的方法，把量值作为参考辅助。设计人员要有根据和针对性，科学地运用优化结构设计，以便达到较为理想的设计效果。

建筑在设计过程对掌握总体的架构之外，在其详细的操作中还要对包括对细部结构的优化设计，例如异形板很容易在其角上留有缝隙，因此应当对其分割为方块板。相关优化设计时要精心地选择钢筋，市场上的冷压钢和一级钢几乎没有太大的差别，但其性能中的拉力阀值却天差地别。要在具体工程的建筑要求的基础上进行选择，既要考虑到其经济适用性，还要考虑到期质量安全性。

在地基的下部进行结构优化设计时，应要选择较为合理的规划做成桩基础，另外，要根据施工场地上现场地质状况进行相关的选择桩基，然后较为节省地使用开支。在选择灌注桩的桩长的时候要考虑到桩顶端抗力层，通过对比来选择较为理想的结构设计规划方案。

4、结语

优化的结构设计方案要比传统结构方案使工程的造价节省5%到35%左右。通过对优化技术应用，实现较为合理科学的利用材料，达到建筑结构内部和外部的良好协调性能，使建筑物美观、经济，适用、方便，方便施工，在结构设计优化的方法在房屋的设计中，不但满足建筑的美观效应，而且满足对建筑行业对房屋结构的经济利益的诉求，适应激烈的市场经济竞争。