浅析建筑结构优化设计

董云攀 王凯

【摘 要】结构优化设计从本质上讲，是在很多个甚至无限多个可用方案和做法中找出最优方案，即材料最省、造价最低、或某些指标最佳的方案和做法。这样的工程结构设计便由“分析与校核”发展为“综合与优选”，这对提高工程结构的经济效益和功能方面具有重大的实际意义。

【关键词】建筑结构；优化设计；基本概念；优化内容

一、建筑结构优化设计的意义

为什么要进行结构设计优化？概括起来有以下几方面的原因。

1.钢筋、混凝土和砌体等常用建筑材料的费用构成了结构成本的绝大部分，而这一部分成本约占结构主体造價的50%以上。通过结构优化设计，能够将建筑工程的总造价减少10%～35%。对于一个大型的工程来说，这将是很大的一笔费用，并且基本不存在风险，所需付出的工作量也并不是很大，因此结构优化有助于

建设方减少投资，增加利润和提高资金周转率，其经济价值巨大。

2.据统计，设计责任是造成建筑工程质量事故的主要原因，占据了大约40%的比例。由于现阶段各设计单位水平良莠不齐，设计质量差导致施工停工、返工的现象很普遍；另一方面，设计单位缺乏成本意识，盲目追捧“算不清，配钢筋“的错误思想，设计保守，造成资源的浪费。进行合理的结构优化设计，能够帮助业主提高设计质量，消除不必要的质量缺陷和工程风险，在减少非必要投资的前提下获得高品质的建筑，也符合创建节约型社会的宗旨。

3.由于设计单位没有主动控制成本的意识和动力，加之设计师时间紧、任务重以及能力不足等原因，业主并不能奢望设计单位帮助其进行成本控制，必须另谋它路。

4.设计优化工作往往并非甲方的核心业务，与其耗费较多的人力、物力和财力去做，还不如将其委托给专业人员完成，以便将有限的资源用在更有效率的工作中，从而创造更多的价值，提高企业的核心竞争力。

5.随着国家宏观调控力度的加大和原材料价格的上涨，通过销售获得利润的空间被大大压缩，从内部挖掘潜力、节约成本成为企业赢利的重要手段。科学合理的节约成本是提高企业盈利能力、实现地产公司健康生存、长期发展的重要途径。

在这方面，一些意识超前的业内知名企业，如万科、金地以及诸多国际公司做得比较好，可以作为其他企业学习的榜样。

二、建筑结构优化设计的基本概念

根据优化设计理论原理，可将建筑结构优化设计定义为：对于已知的给定参数，通过相关理论、方法，找到这样一个设计变量，使其既能满足所有约束条件，又能使目标函数取得最小值。

这里所谓的设计变量，指的是在设计过程中所选的描述结构特性的量，它们的量值可根据设计方案的不同取不同的值。这些设计变量所组成的维向量可用维空间的一个点来表示，称为“设计点”。在建筑结构优化设计中指的主要是：1）设计截面的几何参数，如各个构件的截面尺寸、面积和惯性矩等。2）结构总体的几何参数，如柱的高度、梁的间距、拱的矢高和节点坐标等。虽然设计变量所涉及的内容可能有很多，但总体可分为连续型和离散型2种类型。前者在优化过程中的变化是连续的，如拱的矢高和节点坐标等；而后者的变化则是跳跃性的，如备选的型钢截面面积或钢筋直径等。

结构优化设计的目标函数是指用来衡量一个设计的好坏，从而在不同设计方案之间进行比较的指标，它是设计变量的函数。目标函数的选取建立在结构本身的技术经济特性基础之上，目前应用较多的目标函数主要是结构造价、结构重量和结构体积3种。

约束条件则指的是在优化过程中需要满足的硬性规定，即无论采用何种设计方案都需满足的一些要求，离开了这些条件，优化设计也就无从谈起。建筑结构优化设计中采用的约束条件主要是几何约束条件和性态约束条件。前者从几何尺寸方面来限制设计变量，如要求工字型截面的翼缘和腹板的最小厚度；后者则限制结构的工作性态，如构件的强度和刚度、结构的整体稳定性等。

三、建筑结构优化设计的内容

通常情况下，建筑结构设计的主要工作是根据建筑设计的要求，采用合理的设计理念和方法，来确定适当的结构形式、布置以及具体的构件设计尺寸。对常见的钢筋混凝土住宅结构体系进行优化时，可以从结构整体布局以及具体构件两个方面加以考虑。影响结构整体布局的因素包括了建筑物的体型特征、柱网尺寸、层高以及抗侧力构件的位置等；具体构件因素主要包括结构的布置、构件的截面、混凝土和钢筋强度等级及配筋构造等。综合考虑这两方面的因素影响是必须的，为了实现这一目标，对工程师提出了更高的要求：需要结构工程师对结构和构件受力特征有充分的把握，能根据构件设计的合理经验和对规范的深刻理解，采用合理优化方法进行有效设计。

1.建筑结构抗震设计的优化

1）尽可能设置多道抗震防线

一个抗震结构体系应由若干个延性较好的分体系组成，并由延性较好的结构构件连接协同工作。由于强烈地震之后往往伴随着多次余震，抗震结构体系应由最大可能数量的内部、外部冗余度，有意识地建立一系列分布的屈服区，主要耗能构件应有较高的延性和适当的刚度，以使结构能吸收和耗散大量的地震能量，提高结构的抗震性能，避免大震时倒塌。

适当处理结构构件的强弱关系，同一楼层内宜使主要耗能构件屈服后，其他抗侧力构件仍处于弹性阶段，使“有效屈服”保持较长时间，保证结构的延性和抗倒塌能力。

在抗震设计中某一部分结构设计超强，可能造成结构的其他部位相对薄弱，因此在设计中不合理的加强某一部分以及在施工中以大代小改变抗侧力构件配筋的做法都需要慎重考虑。

2）建筑性能化设计

应根据实际需要，有针对性地选择整个结构、结构的局部部位或关键部位、重要构件、次要构件以及建筑构件和机电设备支座作为性能优化设计目标进行性能化设计的优化。

2.建筑结构平面的优化

建筑结构平面的不规则会导致结构的扭转问题，即结构设计过程中未能做到质心、刚心和重心三心合一，在水平地震荷载的作用下结构发生扭转振动效应。为尽量使作用在楼层上的水平荷载均匀分布，减轻结构的扭转振动效应，建筑平面应尽可能采用简单的平面形式，如方形、矩形、圆形或正多边形等。当由于某些原因无法保证全部采用简单的平面形式时，应使建筑平面的不规则程度控制在规范允许的范围内。

3.建筑结构静力分析方法的优化

建筑结构的分析方法有很多种，包括弹性静力法、动力弹性分析法、静力弹塑性分析法、动力弹塑性分析法等。一般来说，建筑结构的变形和内力可按弹性方法计算，框架梁及连梁等构件可考虑塑性变形引起的内力重分布。建筑结构的计算模型应根据结构实际情况确定，所选取的分析模型应能较准确地反映结构中各构件的实际受力状况。建筑结构分析，一般情况下选用的是平面结构空间协同、空间杆系、空间杆-薄壁杆系、空间杆-墙板元等计算模型进行整体计算。然而，设计中经常将跨高比很小的转换梁、墙体连梁等构件模拟成了空间杆模型，这样会导致计算结果的不合理，因此，对于一些不符合杆系特征的构件在设计中采用有限元法来进行辅助分析。同时，由于计算模型无法对一些复杂构件的节点进行真实的模拟，也可采用有限元法来进行节点的分析。

四、结语

目前，在建筑结构优化设计实际操作中，更多的是采用“分析与校核”基础上的“综合与优选”方法，但真正的建筑结构优化设计软件还不完善。今后急需大力开展结构优化设计的应用研究，如开展有关设计思想及优化技术的普及工作，编制符合设计实际需要的优化电算程序等；另一方面需要继续深入进行结构优化设计的理论工作，如对多目标优化、结构动力设计优化、离散值设计变量优化、随机规划和模糊规划等课题以及模型化处理工作等。那样才能是建筑结构优化是有据可依，也更能在满足安全的前提下给我们带来大的经济效益。

参考文献：

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