建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用

■胡文超 ■中国瑞林工程技术有限公司建筑设计研究院，江西 南昌 330000

房屋建筑的性能指标包括房屋建筑的安全性、耐久性、经济性和美观性等、房屋建筑结构设计质量的优劣，关系到建筑物整体功能的发挥、改革建筑结构设计理念，优化建筑结构设计方案不但是节约建筑成本，便于施工操作的具体措施，更是满足人们对房屋功能的需要，为广大民众提供良好舒适的生活居住环境。

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。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。

1 房屋建筑结构设计中要重视概念设计优化

房屋建筑结构的布置方案可能有很多种，对于统一建筑，可以选择不同的结构布置方案、而对于已经确定结构布置的房屋建筑，有与分析方法的不同，也会在考虑相同荷载作用的情况下选择不同的分析方法。此外，房屋建筑的设计选用的设计参数指标，选择用的建筑材料和荷载标准值得去法等都会对房屋建筑设计产生一定的影响，这些因素都有设计人员去决定，而设计人员的经验在此时就发挥了重要的作用，经验丰富的房屋建筑设计人员，在面对这些问题时，就会对房屋建筑的情况进行全面综合的考虑，然后做出合理正确的判断，选择灵活的设计方案，这就是所说的概念的优化设计。

2 房屋建筑结构设计中优化技术的实际应用

2.1 第一阶段

第一阶段是变量的选择通常情况下，对设计人员决定最终设计方案起到重要作用的参考数据，都可以作为变量供设计者进行选择。如工程的目标参数包括房屋价格参数和预期产生的损失参数;工程的控制与约束参数包括表示房屋架构可靠性能的参数等。

如果房屋建筑的设计者以变化幅度较小或考虑因素较少的参数作为设计的参考指标，那么相应的建筑结构设计。编程和计算有关工作难度将会降低，设计者也可以更好地找到符合优化设计的参考数据。

2.2 第二阶段

第二阶段是对相关函数的确定。设计者要根据事先设定的房屋横截面尺寸和钢筋尺寸面积的那一组函数，从众多组相似的参考函数中进行合理科学的选取，并分析这组数据函数的相关各种性质，从而最大限度的降低房屋建造的成本费用。

2.3 第三阶段

第三阶段是条件的衡量。处于对增强房屋结构稳定性和耐用性的考虑，房屋设计的约束指标应当包括房屋尺寸、架构刚性、受力限度和变形限度、结构的可塑程度和结构的确定程度等。

在实际的设计过程中，设计者应当结合房屋建造工程的具体情况，对施工实际中的约束性条件和目标确定的约束性条件进行比较和分析，确保各种条件都符合相关的建筑规定要求，从而实现优化设计的目的。

选择节能指标较高的结构类型。房屋结构形式的选择，意味着选择不同工程造价的建设模式，常见的结构设计模式有如下三种。

短肢剪力墙结构，这种结构形式常见于高层建筑，以混凝土结构技术规程为依托，这种结构形式相对于剪力墙的抗震级别要高，比起剪力墙，构造钢筋使用数量不多。

框架结构，具有大开间、布局灵活性强和造价成本低的优点，但这种结构抗震能力弱，柱截面较大，形成的柱角凸出部位会妨碍家具的布置。

框架—剪力墙结构，即在框架结构中合理进行一定数量剪力墙的布置，这种结构合理，适用能力强，而且能够应对各种不同的变形压力，是一种抗侧力较好的结构。

3 房屋结构设计信息优化技术

由于房屋建筑结构受到设计变量等条件的约束，难以用单一的方法进行结构优化。鉴于房屋结构设计的复杂性，应该开发一种较为实用方便的参数定义优化软件，减少设计者在结构优化方面的精力和时间。笔者较为推崇的是TBCAD 系统，这种系统是针对结构方案设计、建模、分析、评估等为一体的成本控制软件系统，这种系统可以进行结构方案的指导设计，使得方案的人力、物力和财力资源等趋于最优状态系统的信息分为两个时间段进行优化，第一个时间段是通过对材料的分配调整，使用最少的混凝土用量满足侧向刚度的要求，系统在这个时间段的目标函数是混凝土的使用量，而结构构件的断面大小则是设计的变量、第二个时间段是对构件强度的优化，通过对构件结构的断面大小以及钢用量的调整，使得构件的强度要求实现只需较少的结构造价。

4 各种功能结构的优化设计内容

结构抗震的经济化设计，主要针对高层的房屋建筑，高层建筑的水平荷载结构造价占所有结构的绝大部分造价，在抗震结构设计中，抗侧力结构是造价控制的重点内容。尤其是在建筑物层高增加之后，抗侧力结构的造价也会随之增加。抗侧力的结构必须进行合理选用，以便形成造价优势。

设计人员对房屋结构的设计要充分了解各种结构模式的抗震性能和经济指标，把握好房屋的体型、结构的体系以及刚度的分布等，针对抗震的薄弱环节通过抗震构造措施进行改善，将抗震结构设计的成本降到最低。

5 房屋建筑结构优化技术应用注意事项分析

房屋建筑机构优化技术的应用，需注意到前期的参与房屋建筑前期的设计方案直接影响建筑项目的成本，但是很多前期方案确定中却不包括结构优化设计技术，以致相关的设计人员在进行房屋建筑结构设计时，常常忽略建筑结构的和理性和可行性，这样不但增加了机构设计的难度，而且使房屋建筑结构的设计成本也相应增加、设计人员在前期设计时要充分的融入优化设计方案，节约建筑成本。

6 结构设计优化技术在建筑结构设计中的应用

6.1 直觉优化技术

直觉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、荷载的取值也不是唯一的:建筑物细部的处理更是不尽相同，这些问题是计算机无法完全解决的，都需要设计人员自己作出判断。

6.2 概念设计处理

概念设计处理的实际建筑设计问题概念设计所要处理的问题多种多样。但可以肯定的是希望通过概念设计，建筑结构能在各种不期而遇的外部作用下不受破坏，或将破坏程度降至最低。

建筑设计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。

7 结语

总而言之，利用结构设计优化的技术方法可以满足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，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，进行建筑结构设计符合现今建筑商对于建筑结构的效益的需求，也符合市场可持续发展的需求。

［1］周磊.建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用.城市建设理论研究［J］.2012(06).

［2］康强林.谈建筑结构设计优化方法与房屋结构设计［J］.建筑工程技术.2013(07).