论述结构设计优化在建筑设计中的运用

郑龙飞

（深圳中海世纪建筑设计有限公司南昌分公司）

论述结构设计优化在建筑设计中的运用

郑龙飞

（深圳中海世纪建筑设计有限公司南昌分公司）

本文首先阐述了优化设计的内容，并对住宅建筑结构的设计优化方案进行总结，帮助明确结构设计中的重点技术。其次对优化结构设计技术应用过程进行探讨，整理出优化设计对建筑行业的促进作用。科学运用设计优化技术，可节省工程造价成本，使用阶段更安全稳定。

结构设计；建筑设计；设计优化

1　建筑结构设计方案优化的主要内容

1.1建筑物结构周期性的折减系数

建筑结构规模与承载力之间有着必然联系，在对结构进行优化时首先要明确折减系数，在结合工程整体承载需求，适当增减结构厚度。结构优化设计可节省建筑材料，折减系数则起到约束作用，通过函数周期计算来确定最终建筑结构的规模。承载重力时建筑结构内部会形成应力，用来保护钢筋与混凝土材料的完整度。计算过程中若系数与规定标准存在出入，则要对结构设计进行优化，并反复计算，直至最终结果在规定范围内。

1.2优化建筑物耐久性设计

建筑物投入使用后需要承载来自不同角度的压力，混凝土结构内部钢筋材料长时间处于作用力之下会逐渐发生弯曲，压迫周围混凝土材料使之形成有害裂缝。上述问题会严重影响建筑物的使用年限，因此在设计过程中要对承重结构进行优化。可通过改变承重方式来提升使用年限，在结构内部设置预应力，可与剪力相互抵消，使建筑物处于平衡状态，使用时间也因此得到增长。适当增大修筑材料强度可提升耐久性，这是设计工作中最直观的方法，但施工成本也会因此而升高，并不会最科学的措施。在设计过程中可同时对材料与结构规格进行优化，满足工程需求同时还可以节省成本支出。

2　住宅建筑结构设计优化的方法

城市建筑以住宅用途居多，通过结构设计优化可为使用者提供更大的居住空间。开展优化前可通过计算机设备对建筑结构进行模拟，将各项数据输入其中观察计算结构，可作为设计工作开展的参照标准。下面详细介绍结构建模优化方法：

2.1结构优化模型的建立

建立模型前要将方案中涉及到的数据输入计算机中，按照比例将结构缩小。承重结构的横截面积是重点计算部分，一些细小结构计算结果要完全表现出来，不可省略小数。也可将函数公式与坐标向结合，使结构规格与承载成立以图表的形式展现出来，优化过程也更直观。开展结构优化前设计人员要明确工作目的，在满足承载需求的前提下最大限度的降低造价成本，也可分步骤进行，先对整体结构进行设计，成型后再计算细节中不合理的部分，逐次进行整改。建筑结构常规状态与使用阶段存在一定差别，设计工作要考虑全面，保障承重时结构不会发生形变，为工程建设打下坚实基础。

2.2结构优化设计的计算方法

结构优化计算过程复杂而繁琐，会同时涉及到数学公式与力学原理，要求技术人员具备结构涉及经验。计算时要明确先后顺序，可先确定折减系数，结合数据分析结构规格范围，再将未知量代入方程中求解。当需要求解的量过多时，可使用组合公式进行计算，并观察函数坐标中的动态关系，竟可能减少材料使用量。设计优化要从多方面体现，在设计过程中可将多种方案进行对比，分别判断各项规划在施工现场的可行性。

3　优化的结构设计技术在实践中的应用

建筑设计受多种条件制约，设计方案是否具有可行性需要通过实践来检验。建筑物投入使用后基层需要承受自重，地区发生的自然灾害也会对结构完整程度造成影响，因此建筑结构必须具备抗震能力。优化设计时将建筑工程使用中可能遇到灾害种类进行模拟，计算出方案抵抗灾害的能力。结构设计优化不单是在建设前期，也可对使用中的建筑物进行加固处理。混凝土结构长时间承载压力很容易出现有害裂缝，潮湿气体便侵入到钢筋材料内，氧化后的钢筋承载能力会有明显下降。对这部分建筑结构进行优化时要将原有的应力加入其中，计算得出具体施工方案，可延长建筑物使用年限。

3.1参与结构设计优化的前期工作

结构设计优化进展情况关系到工程是否可在规定时间内完成，因此准备工作必须要充分。构件模型时结构承载能力可能已经达到最优，但实际建设阶段受场地条件限制很难开展，需要对其做出整改，不但延误了工期，工程质量也会因此而降低。管理人员在此阶段要制定出完善的工作计划，避免在工程开展时出现差池，优化方案中还要体现出成本节约控制，具备一定灵活性，在应用阶段遇到阻碍，可在第一时间做出变动，并不会对工程进展造成影响。

3.2将概念设计和细部结构设计进行优化

抗震能力检测属于模拟测试，发生强度也是不确定的，在设计时将这部分功能划分在概念优化中。计算时可不必精确到每个细节，可查阅地区以往灾害发生情况，保证小地震建筑物破损部分可通过修补复原，继续投入到使用中。大规模地震中要保障建筑整体结构不出现坍塌，为救援争取更多的时间。这也是结构优化设计的主要内容，技术人员在设计时要大胆创新，通过优化结构来实现使用功能，但造价成本并不会因此而增大。

3.3优化下部的地基基础结构设计

基层结构属于承重部分，开展施工前会对基层进行夯实加固处理。基层承重结构以桩柱和墙体形式呈现，设计时要考虑剪力墙对内部空闲完整性的影响，可选用连续墙来承载重量，修筑的跨度不易过大，可节省建筑材料。不同施工场地基层坚实程度也存在差异，可设计不同的方案进行比较，提升基层结构使用性能。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。

4　优化的结构设计实际价值

结构设计优化在建筑设计中具有很重要的地位，首先使用结构优化的设计能降低建筑造价，其次进行优化结构的设计能提高建筑结构的经济性。这些都具有实际价值。

4.1通过结构优化设计来降低总造价

结构最优形式会在规模上进行缩减，在此基础上开展的设计工作必然会体现出成本节约性。在基层承重能力允许的情况可增加建筑物总高度，可划分出更多的楼层，使土地得到有效利用。建筑物使用阶段需要专门的空间用来储备供配电设备，优化设计时可将其安放在闲置的空间内，即保障了结构的完整度，还可为工程团队带来更大的收益。传统建筑设计中，将工程承载能力方在首位，单纯的增加材料强度，使成本被增大，同时建制物的自重也会随之增大，间接降低了承载能力。这种方法并没有体现出科学性。结构设计优化打破传统里面，大量引进新型技术，施工过程更简便，减少不稳定结构的产生概率。

4.2通过进行结构设计优化来提高建筑结构的经济性

建筑的层高增加，由于墙体面积和柱体积增加，结构的自重会增加，基础和柱的承载力相应增加，水卫和电气的管线会加长；相反降低层高，可节省材料，有利用抗震，同时建筑的总高度减小，两建筑之间的日照距离就会减小，间接的节约了用地。建筑面积相同，建筑使用不同的平面形状时，它的外墙周长也就会不同，这样当选择圆形或是越接近于方形时，外墙周长系数就越小，基础、外墙砌体、内外表面装修都随之减少，同时其受力性能也得到提高，增强了建筑的经济性能。

5　小结

利用结构设计优化的技术方法，能提高有限的空间、有限的资源，让其最大化的效果发挥，实现了经济化、实用性和适用性的良好目标。满足了建筑产品的品质要求不断提高的目的，实现了人们对于居住条件及生活环境的要求不断提高的需求，同时，这也实现了建筑商不断寻求新的手段来满足顾客的需求，达到降低建筑工程造价成本的目标。

[1]景毅.建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的运用分析[J].科技资讯，2014（09）.

[2]王广斌，向乃姗.多学科设计优化在建筑工程设计中的应用[J].东南大学学报（自然科学版），2010（11）.

TU318

A

1673-0038（2015）36-0054-02

2015-8-15

郑龙飞（1988-），男，助理工程师，本科，主要从事建筑结构设计工作。