小议建筑结构优化设计

赖晓蕾

摘要：随着经济的迅速发展带动了很多领域的前进，其中建筑的发展十分迅猛。众所周知，从建筑方面而言，结构优化设计技术起到了至关重要的作用，采取合理的结构优化设计不仅仅可以节省大量的建筑结构空间设计，更加可以节省大量的资金，创造更多的经济价值，在结构优化设计中，应用现代化的科技手段，构建合理的建筑设计方案，进而达到经济适用的目的。

关键词：结构设计；优化技术；存在问题

引言：

目前，建筑在我们的城市建设当中所占的比例是越来越大，结构设计是其中极为重要的一个环节，通过优化设计手段进一步加深对结构优化设计中的重要性认识，创造合适的条件，确定合理的目标，采用科学的控制方法，各个方面达到最佳结合，降低工程的总造价，这不仅符合现今建筑商对于建筑结构效益的追求，也是市场可持续发展的需求，更是适应绿色环保的要求。

一、建筑结构设计优化概述

对于现代的建筑来说，任何建筑物的设计都要包括建筑设计、结构设计、给排水设计、暖气通风设计和电气设计等。所有的设计都要遵循以下四步：方案设计—结构设计—构件设计—绘施工图。建筑结构设计的基本要求，即是对建筑物结构的强度、刚度以及稳定性的设计计算和验算，使其满足各自对应的容许条件，从而保证建筑物结构的可靠性和安全性。建筑结构设计主要是指建筑基础结构和上部结构。由于建筑工程所涉及到的内容非常丰富，建筑结构设计优化所包含的内容比较丰富，其中包括以下几个方面的具体内容，第一，基本结构的总体和分部优化；第二，以建筑的基本功能要求和舒适性要求为基础，对建筑结构的造价进行控制，也就是要对造价进行最优化设计。

之所以对建筑结构设计进行优化是因为优化设计能够实现对有限的空间和资源进行充分利用，提高各种设备和材料的使用效率，相关研究统计数据显示，建筑结构的优化设计与传统设计相比能够节省5%～33%的工程造价，因此，在建筑结构设计中要积极应用建筑结构优化设计技术，以推动建筑工程企业的常远发展，实现资源的充分利用。

二、关于优化设计技术中存在的问题

1、重视结构尺寸，忽略结构整体

设计人员优化建筑方案时，通常根据已给的条件来规划，以符合条件的构件截面要求，而忽略了整体结构的优化性。其实形状的优化设计要比尺寸的优化重要得多，单纯的尺寸优化不能满足优化结构的需求。不少设计人员片面的认为结构方案和布置规划经过计算机软件对上部结构的分析后，一旦构件截面符合计算结构的规定，对于地基部分，特别是软地基部分，上部结构重要性就变低了。所以设计人员一般对上部结构的构件截面没有足够的重视。

2、优化目标不能完全符合工程的需求

在实际优化设计过程中，时常伴随着很多难题，因为工程设计工作中的约束条件较多、建筑功能的限制性较多、变量也多等一系列不确定因素，致使目标函数仅能获取相对的最优解。当今利用计算机软件来优化截面，仅仅几次试验根本无法实现预期效果。因此设计的进度与时机都限制了优化方法的实现。

3、离散变量问题

由于建筑物尺寸、型钢规则型号、钢筋等都是变量，如何获取配筋和截面的最优解？如何同时满足结构正常使用状态和承载力极限状态？如何考虑结构大震、中震、小震计算？传统的梯度算法、对偶算法已经不能满足当今的工程设计需要。当前随着问题日益增多，引发了计算量剧增的组合性爆炸难题。

4、建筑结构设计与经济成本之间的关联

层数和建筑本身的成本有着非常紧密的关联，由于层数变多了，为满足抗震设防的要求，所选取的结构受力方式会发生改变以及构件的总体体量就会变大，而且相应所受到的地震力和结构的本身重量增加，导致竖向构件、基础的配筋率变大。要是降低建筑总高度的话，就能够节省物质，而且对于结构抗震来讲也很有益处，对于建筑方面，也能缩小建筑之间的日照距离，取得节约用地的效果。在相同建筑面积时，建筑平面形状不同，建筑的外墙周长系数也不相同。显然平面形状越接近方形或圆形，外墙周长系数越小，外墙砌体、基础、内外表面装修等也随之减少；对于结构方面，建筑体型均匀，利于构件水平方向及竖向的规则布置，避免薄弱层，减少结构计算时间，降低施工难度。考虑到上述综合因素，单体建筑的平面布置越规则，越能节省造价。

三、结构设计优化技术在建筑结构设计中的应用

3.1 直覺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：细微之处的处理更是不一样的，此类内容经由电脑是无法有效的分辨的，要靠着工作者自己辨别。此项判断必须在设计的常见规律的指引之下开展，其就是之前讲到的概念设计内容。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。

3.2 概念设计处理的实际建筑设计问题该项设计要分析的内容非常多。人们都是希望能够借助于该项设计，确保结构在各项力的干扰之下不受到影响，或是把这种影响降到最小。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。刚度均匀、对称是减小地震在结构中产生不利影响的重要手段；延性设计则能有效地防止结构在地震作用下发生脆性破坏；多道设防思想能使建筑在特大地震作用下次要的构件先破坏，消耗一部分地震能量。这些抗震设防思想在整个设计过程中都应该作为概念设计的重要指导思想。

四、如何对建筑结构的设计进行优化

1、关于建筑结构的规则性问题。新的建筑设计规则在这方面的内容出现了较大的变动，新规则在这方面增添了相当多的限制条件。因此，建筑结构工程师在遵循新规则的这些限制条件上必须严格注意，每一步设计都要按照规定去执行，以避免后期施工图设计阶段工作的被动。

由于针对建筑结构规则性问题应采取相应的优化结构设计措施有：结构设计始终要牢记“强柱弱梁、强剪弱弯、强压若拉原则”，注意构件的延性性能；加强薄弱部位；注意钢筋的锚固长度，尤其是钢筋的执行段锚固长度；考虑温度应力的影响力。

2、结构的超高关键问题。对于超高限建筑物，应当采取科学谨慎的态度。因为在地震力作用下，超高限建筑物的变形破坏性态会发生很大的变化。随着建筑物高度的增加，许多影响因素将发生质变，即有些参数本身超出了现有规范的适宜范围，如安全指标、延性要求、材料性能、荷载取值、力学模型选取等。因此，必须对结构的该项控制因素严格注意。

所以在优化设计时，针对抗震规范和超高规范，设计中应对结构的总高度有着严格的限制，尤其是新规范中针对以前的超高问题，除了将原来的限制高度设定为A级高度以为，增加了B级高度，处理措施与设计方法都有较大改变。在实际工程设计中，出现过由于结构类型的变更而忽略该问题，导致施工图审查时未予通过，必须重新进行设计或需要开专家会议进行论证等工作的情况，对工程工期、造价等整体规划的影响相当巨大。

3、嵌固端的设置问题。不仅关系到结构中某些构件内力分配的准确性，而且还影响结构产生侧移的真实性，以及结构局部的经济性，由于多层建筑通常都带有地下室和人防，嵌固端有可能设置在地下室顶板，也有可能设置在人防顶板等位置。

如何对嵌固端进行结构设计优化，需要做到：多层建筑在进行结构分析计算之前必须首先确定结构嵌固端的所在位置，在这个问题上，结构设计工程师需要注意如下几个方面的问题如：嵌固端楼板的设计、嵌固端上下层刚度比的限制、嵌固端上下层抗震等级的一致性、在结构整体计算时嵌固端的设置、结构抗震缝设置与嵌固端位置的协调等。而忽略其中任何一个方面都有可能导致后期设计工作的大量修改或埋下安全隐患。在建筑设计中，结构工程师应尽可能少采用或不用短肢剪力墙，以避免给后期设计工作增加不必要的麻烦。

结束语：

对于任何的建筑来讲，建筑是凝固的艺术，建筑师总是希望通过建筑物表达自己的设计意图，力求艺术性和实用性的完美结合。结构师在保证安全性的前提下，当然应该敢于挑战新的结构形式，使建筑师的意图得以实现。在开展设计的时候，要在合乎其思想的前提下，保證平面的布局规整，降低质量和刚度中心间的不同。确保建筑体在横向的受力性的干扰下不会存在很严重的扭转反应。对于竖向的布局，要在合乎功能规定的背景之中，保证竖直方向的承重件是连通的。在可以不使用转换层的时候就不用，以此来降低结构分析以及设计层次中的面对的一些不利现象。而且它还会使得应力聚集。要保证竖向的刚度是逐渐发展的，以此来防止应力聚集。其对于提升横向的受力性来讲益处非常多。

参考文献：

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[2]辛海虹.结构设计优化技术与其在房屋结构设计中的应用[J].价值工程.2010（27）.

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