浅析建筑结构优化设计

李家彬

【摘 要】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。在建筑结构设计的过程中，在基本满足建筑师设计意图的基础上，平面布置应尽量规则，对称，尽量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产生太大的扭转效应。竖向布置上，在满足功能要求的前提下，尽量使竖向承重构件上下贯通；能不使用转换层的就应避免使用，以减小结构分析和设计上的困难，另外也不经济，还容易造成应力集中；竖向刚度最好不要突变，而要渐变，否则突变处在水平荷载作用下会出现严重的应力集中现象，这对结构抵抗水平动力荷载是十分不利的。

【关键词】建筑结构；优化设计；技术；分析

一、建筑结构优化设计的基本原则

1、保证结构安全，有合理的经济性

结构设计的主要目标是实现结构足够的竖向荷载及水平荷载的抵抗能力，使其具有良好的变形性能，耗能减震能力和抗震承载能力。在满足结构安全耐用的 预订目标的前提下，还应合理优化，使建筑通过合理的设计，减少材料的浪费，取得合理的经济性。

2、提高建筑舒适度，最大程度满足建筑使用功能原则

所谓优质的建筑，应从建筑、结构、装饰装修到给排水、暖通、空调、燃气、电气安装等各专业的整体优化设计组合。如果仅仅是某个专业设计得好，是不可能被称作是一个优质建筑的，结构设计也不能例外的。建筑结构设計要能最大程度地满足建筑平面布置、内部空间高度和建筑立面等使用功能和外形观感的要求。建筑在投入使用后，应使用户在工作和生活中感到舒适，这才是建筑结构优化设计的出发点和落脚点。因此，建筑结构的优化设计应包含结构体系的科学性、构件布置的合理性、构件和材料选用的正确性等内容，以此提高建筑投入使用后的舒适度，满足人们的需求。

二、建筑结构设计优化方法的应用

1、结构设计优化方法的应用。结构设计优化方法和技术的应用具体体现在房屋工程结构总体的优化设计和房屋工程分部结构的优化设计两方面。其中房屋工程分部结构的优化设计包括：基础结构方案的优化设计、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。对以上几个方面的优化设计还包含选型、布置、受力分析、造价分析等内容，并应在满足设计规范和使用要求的前提下，结合具体工程的实际情况，围绕其综合经济效益的目标进行结构优化设计。

2、结构设计优化方法的实践价值。笔者认为，在满足建筑结构长远效益的前提下，应尽量减少建筑结构的近期投资并提高建筑结构的可靠度和合理性。与传统设计相比，采用设计优化技术可以使建筑工程造价降低5%～30%。优化技术的实现，可以最合理的利用材料的性能，使建筑结构内部各单元得到最好的协调，并具有建筑规范所规定的安全度。同时，它还可为建筑整体性方案设计进行合理的决策，优化技术是实现建筑设计的“适用、安全和经济”目标的有效途径。

三、建筑结构优化设计的内容

为了保证现代化的建筑能不断满足人们对建筑物的要求，同时提高建筑物的稳定性、安全性和可利用性。可以从以下几个方面优化建筑结构。

（一）基础拉梁的优化

当多层框架房屋基础埋置较深时，可以在一定范围内对基础拉梁的位置进行设置以达到最优状态，使基础拉梁宜于按照框架梁进行设计，并且按照规定来设置箍筋加密区。当独立基础埋置较浅时，可以根据抗震要求，在两个主轴方向上设置基础拉梁。基础拉梁的尺寸也有一定的要求，一般横截面宽度是柱中心距的三十分之一至二十分之一，基础拉梁的高度不小于柱中心距的十五分之一。基础拉梁的顶标高通常要与基础的顶标高相同。

（二）框架梁、柱箍筋的优化

不同抗震等级的框架梁和框架柱有不同的构造要求，其加密区的最大箍筋间距和最小箍筋直径都有明确的规定。利用计算程序进行计算时将框架梁和柱箍筋的加密区间距设置为100毫米，计算出加密区的箍筋面积。在实际设计过程中适当地增加箍筋的直径或者将箍筋间距适当的加密。

（三）独立基础设计荷载的优化

现代化的建筑物中，钢筋混凝土结构的房屋越来越多，钢筋混凝土多层框架房屋大多采用柱下独立基础形式。当房屋地基的受力范围内没有软弱的粘性土层时，总层数在八层以内而且高度在24米以下的一般民用框架房屋可以不用验算地基基础的抗震承载能力，但在实际的设计过程中应该考虑风荷载的影响。在对以钢筋混凝土为原料的多层框架房屋进行整体的计算分析时，必须要考虑到风荷载的影响，不能因为风荷载的影响不明显就忽略掉这一部分。另外，在设计独立基础时，柱脚内力只取轴力设计值或者只取轴力与弯矩设计值，都会导致建筑物的基础尺寸偏小，会影响基础以及整个建筑结构的安全。

（四）地下室层数的优化

地下室也是某些建筑物不可或缺的一部分，对地下室的结构进行优化，有助于提升空间的利用价值。由于地下室的隔墙比较少，因此在设计过程中基础形式常采用筏板式。在利用计算机对这一部分进行设计时，应该同时输入地下室的层数和上部结构，这样可以一次性计算出地基以及基础底板的竖向荷载。同时可以利用现有的数据对层间侧移刚度比进行分析，通过分析比较的结果，可以正确地判断、调整房屋的具体嵌固位置，并且采取相应的措施来提高建筑结构的抗震能力。如果在建筑结构的整体计算过程中，输入的地下室层数比实际的层数要少，会导致在发生地震灾害时底层的柱底部位因为抗震能力降低而受到破坏。

（五）建筑结构计算参数的优化

利用计算机进行信息化处理，能较快捷地得到相应的计算结果，但对计算出的结果不能盲目使用，应该经过认真的分析判断以保证其合理准确，才能将各种参数应用于结构设计中。一般来说，利用计算机进行计算的参数有建筑结构的自振周期、楼层的侧向刚度比、柱底内力设计值、楼层地震剪力系数、墙和柱的轴压比等。众多的参数都是进行建筑结构设计的依据，因此，参数的准确性也影响了建筑结构的安全稳定性。为了分析判断计算机计算出的结果是否合理，在进行相应参数的计算时，一方面要保证合理的结构方案，准确可行的结构计算简图，另一方面要根据建筑结构的具体特征，正确地填写相应的场地类别，而且对于总信息中的各种参数要进行合理的选取。

四、城市高层建筑优化结构分析

众所周知，当城市建筑物增高时，它的施工难度就会加大。例如当我们每升高一层建筑的时候，它的地基的承受能力就要加强一些，同时我也要注意到，当建筑的高度增加的时候，竖向荷载数值就会增大，也会影响连续弯梁的受力情况。在建筑高度增加的情况下，建筑物的高度会直接影响到建筑物基底的倾覆力矩，同时顶部的侧向移动也会随着高度的增加而增加。所以当我们升高建筑物的高度时候，就要参考建筑物结构分析和个体系相对应的方法，这样在施工的过程中就会很安全。城市高层建筑还有一个难题，那就是当升高建筑物的高度时候，相邻高层之间会影响到建筑采光等诸多问题，例如随着建筑物高度增加，相邻的高层的采光就会受到影响，比如说有的高层住宅小区，高层的三楼以下常常是等到中午才能有阳光射到房屋中，还有的是下午，这些问题都是实实在在存在的，我们在建筑结构优化设计的时候应当优先考虑，不能为了节约土地，就缩短高层建筑的间距，造成建筑采光问题出现。

结束语：

现代建筑结构的优化设计，深受开发商，业内人士认可。通过建筑结构优化设计，我们可以有效降低工程造价，节约建筑成本。这样在节约了能源的同时，达到了预期的效果，满足了现代人对于建筑物的诸多要求。现代建筑结构优化设计给人们创造了方便、安全、舒适的生活环境。安全，适用、经济、美观已经成为人们对一个建筑的评价的指标。通过建筑结构优化设计，我们的建筑更美观、更安全。建筑结构优化设计，带来的经济效益是相当可观的。

参考文献：

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