建筑结构的优化设计探析

郭艳峰 孙儒斌

摘要：建筑结构优化设计是基于建筑结构设计的基本要求作更进一步、更深层次、更为合理地建筑结构设计，使建筑工程能够满足美观造型、结构安全和经济规划等方面的实际意义。本文首先分析了结构设计优化的内容及意义，然后探讨了结构优化设计中存在的问题，最后详细阐述了建筑结构优化设计的要点。

关键词：建筑结构；优化设计；细部；地基；抗震

中图分类号：TU3文献标识码： A

一、建筑结构设计优化的内容及其意义

当前，我国经济快速发展，人们对居住条件及生活环境要求越来越高，而对建筑房屋进行优化设计，使其结构与美观相互协调、同时适用、安全、经济以及便利是改善人们居住环境方面的重要手段。建筑结构设计优化理念注重以实际为准则，根据工程建设的基本状况，以计划成本控制为中心来进行的结构优化设计，其内容就是利用对建筑基础的结构、屋盖系统的结构方案以及围护系统结构方案等环节，建立起一种关于结构优化设计的模型，通过对各种不同的影响变量参数中的若干关键参数的科学计算，确立最终的建筑工程结构设计的优化结果方案。

建筑结构优化设计意义重大，一是大大提高建筑结构经济性，建筑进行结构设计优化可节省材料，有利于抗震，减少内外表面装修，提高了其受力性能，增强了建筑的经济性能。二是结构优化设计大大降低了建筑工程的总成本造价。节约用地，大量资料表明，建筑进行结构设计优化能够有效降低工程成本造价25%左右，同时结构优化设计技术能够对施工材料的性能利用更加合理化，能够让建筑工程结构内部各个不同单元之间更加充分协调，提升了建筑工程结构设计的经济性。

二、建筑结构优化设计中的问题

现代的建筑结构设计优化工作是一个复杂的过程，关系着建筑的安全与否，是否经济和适用，在结构优化设计中也会遇到一些问题。

(一) 缺少详细的勘察地质资料

从现在的建筑结构设计工作来看，普遍缺少详细的勘察地质资料，只是简单的依据相临建筑的情况进行图纸设计。勘察施工场地的作用是保证科学的进行地基基础工作，并且达到最基本的安全保障。往往房屋设计工作人员只是把耐力数值控制到最小，就简单认为房屋建筑结构没有问题了，这种技术问题为房屋埋下了安全隐患。在对较软地基进行处理时，忽略了垫层换土设计，只是根据经验判断处理。房屋结构设计过程中，对于较软地基存在的安全隐患没有足够认识，单纯依据个人经验使用砂垫层强化承载力，对于其宽厚度缺乏精确计算，也造成了费用的浪费。

(二) 构造柱设计存在的问题

建筑结构设计中的构造柱可以设计为单一的受力柱，其横截面与配筋必须达到规范砼的规格，如果房屋结构包含抗震功能，必须要满足以上要求。当构造柱体被当做承重的柱体应用时，这就会使构造柱体的受力提前了，从而限制了构造柱体对建筑结构的拉束功能的完全发挥，使整体房屋结构设计暗藏了安全危机。地圈梁通常会植入构造柱体，这种情况下是不需要另外设置地基的，可是当构造柱体充当了承重柱体时，柱底部基础抗压能力必然会出现超负荷现象，裂缝也就产生了。在实际施工当中，处于承重梁下的柱体应当达到承重柱体的标准，假如承重梁的负载与跨度呈现最小状态时，梁下也可以使用构造柱体。这时候就要对构造柱体的功能忽略不计，重新检测墙体下半部分的抗压强度，达到要求才能设计施工。

(三) 抗震设计中存在的问题

在抗震建筑结构设计中，施工设计人员普遍认为六度设防可以看成是没有设防。为了方便受力分析，施工设计人员往往把柱体横截面较小设计，增加梁线的刚度，将梁设计成为铰支梁，柱体的抗压能力设计成轴心抗压。这种操作方法能够方便分析房屋结构的受力，但是针对整体的房屋结构安全带来了危险。忽视了梁与柱之间的弯矩约束，还有柱体的截面积较小，整个建筑结构一旦受力，抗弯能力明显不足，造成了梁底显现裂缝。

(四) 承重墙设计中存在的问题

建筑结构设计承重能力时主要是通过楼板设计完成的，在房屋建筑时经常将一些隔墙放置在楼板上，之后还会将这部分算在同等效果的荷载力范围内，楼板的配筋也会依据这个数据进行计算。除此之外，隔墙顶部采用立砖斜砌，造成楼板顶部出现裂缝。两个方向同时产生弯矩的双向板中的钢筋是要叠放并且要保持纵横方向，计算时应该依据双方向的高度。

三、建筑结构设计优化的基本步骤

通常在对设计变量进行选择时，我们把对建筑结构影响的主要参数作为设计变量。如目标控制的相关参数( 损失的期望 C2 和结构的造价 C1) 和约束控制相关参数( 结构的可靠度 PS) 等; 然而还有一些影响不是太大，其变化范围也不是很大或者由局部性以及结构的相关要求就能够满足相应的设计要求的一些参数，我们可以用预定参数来表示，这样能够使得我们的设计量、计算量以及编制程序的工作量均大大减小。在进行结构设计优化的时候，我们还必须寻找一组能够满足相关的预定条件的截面相应的几何尺寸、钢筋的截面积以及相应的失效的概率的函数，使得工程造价最少。

对于房屋的结构的设计优化来说，必须确保结构的可靠度，来对优化设计相关的约束条件进行相应的确定，设计优化的约束条件主要包括裂缝宽度约束、结构强度约束、尺寸约束、构件单元约束、应力约束、结构体系约束、从可靠指标约束到确定性约束条件以及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等约束条件。在进行结构设计的时候，确保每个约束条件都必须满足相关要求，以实现最佳的设计。在设计过程中必须对细部的结构进行相应的设计优化，例如，在现浇的混凝土异形的板料，其拐弯处容易开裂，我们可以简化成矩形板，然后再合理的选择钢筋，在满足其结构的基本要求条件下，达到既安全又经济的目的。

四、建筑结构优化设计的要点

（一）结构优化设计的规范

在对房屋建筑结构进行结构优化设计时，设计工作者应遵循相关的结构设计规范。房屋结构优化设计的追求决定了房屋结构优化设计对设计工作者提出了较高的要求，要求工作者不仅详细了解房屋结构设计规范的条文，同时也要能够根据房屋结构设计的实际情况，把房屋结构设计的结构优化设计方案科学合理的运用到实际的房屋工程中。

对于一些结构较为简单的房屋工程，某些结构设计规范可能过于保守，而对于一些结构复杂的，或者有特殊用途的房屋工程，某些结构设计规范又可能过于宽松，安全性不足，这就要求房屋结构设计结构设计优化工作者能够根据具体的工程情况，对结构设计条文进行适当的取舍，争取使设计成果达到最优化。

（二）前期方案设计期间将结构设计优化参与其中

建筑方案设计前期如有一个优秀的、合理的设计方案，并参与结构设计优化，就会争取到非常优秀的开端。但目前在前期设计方案中结构设计优化参与其中的并不多，如果能对建筑类别有所针对，并进行合理选择结构设计优化方案，将降低建筑的总投资成本，因此在建筑方案设计初期应注意建筑方案的结构优化设计，考虑结构的合理及可行性。

（三）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，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。在做立面设计的时候，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。

（四）地基基础结构设计

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。

（五）概念设计处理的实际建筑设计问题

在建筑结构设计中，很多外在因素是难以控制的，尤其是地震这种破坏力极强的自然灾害，对于建筑结构来说，破坏性是不可估计的。故此，在进行实际建筑设计时，必须充分考虑其建筑结构的地质特征，采用概念处理的原则进行合理的规划设计，将其存在的危险因素降至最低。在进行建筑结构设计时，要充分考虑抗震性能的重要性，分析其建筑阶段所受到的各种危险因素，采取合理的技术

手段，在建筑施工中注意刚度均匀、对称的重要性，同时还可以采取延性的设计原则，它可以有效的防止建筑结构在地震发生时所产生的突发性破坏，消耗一定的能量，减少破坏。

参考文献

[1]刘威.关于建筑结构设计优化的几点探讨[J].建筑科学，2011，4（8）

[2]杨华.浅谈建筑结构设计与优化设计[J].规划与设计.2012，12（26）