绉议建筑结构设计优化方法与实际应用

肖龙涌

(汕头市澄海区建筑设计院，广东 汕头 515800)

建筑作为城市的基础设施，外观优美和优质的建筑往往令人赞叹不已，这是美观设计和结构设计的紧密结合才能够实现。伴随着生活水平的提高，人们对建筑物也提出了新的要求，不仅要求建筑物安全、适用，还应经济、美观，便于施工和维护，建筑结构师也应在设计师设计的工程图纸的基础上，尽可能地缩减空间，充分利用现有资源，实现建筑工程综合效益的最大化。而建筑结构设计优化不仅能够满足外观要求，还能保证建筑结构的安全、适用、经济，因此，本文对于建筑结构设计优化方法与实际应用的议论具有重要的现实意义，希望能为工程建设提供一定的参考。

一、建筑结构设计优化内容

建筑结构设计优化具体是指在建筑结构的设计过程中，科学对比分析设计方案，从中选择效果最理想的设计方案。结构设计优化主要包含总体结构设计优化和分布结构优化设计，其中总体结构设计优化相对比较重要，其效果直接影响着建筑物整体功能。

二、建筑结构设计优化意义

建筑结构设计优化方法的实际应用，既能降低工程成本投入，保护当地环境，还能切实保证建筑物使用和美学价值的实现，达到建筑工程综合效益的最大化。与传统的建筑结构设计方法相比，结构设计优化不仅能够减少工程造价，还能提高各种资源的利用率，保证各个分项工程的有序施工。另外，结构设计优化注重设计理念的创新，在保证建筑物质量、安全的基础上，还注重美观和环保。

三、建筑结构优化设计步骤

(一)变量选择

变量是对设计结果影响程度最大的设计参数，例如，目标控制函数、约束控制参数。对于建筑设计要求而言，变化的幅度不是较大或者依据工程构造要求、从局部设计出发的参数，均可作为预定参数，进而最大限度地减轻工程设计中的任务量。

(二)目标函数的确定

为确定目标函数，可以采用尝试的方法，首先选取一组能达到建筑物安全标准、满足实用性的钢筋截面积大小等参数，再依据工程材料所需量计算工程造价，最后选择工程造价最低的方案，以此为依据进行工程设计，进而有效控制建筑物工程总造价。

(三)约束条件的确定

建筑结构中的约束条件通常建立在可靠度优化的基础上，例如，尺寸大小、应力和结构强度等的约束。在工程设计的过程中，应将结构优化设计应用到具体的工程建筑中，列入计算，让约束条件全部都在工程标准允许的区域内，实现最优化设计。

四、建筑结构设计优化方法

建筑结构设计优化方法依据不同的标准，其分类各不相同，若依据设计变量的性质进行分类，则可将其划分成连续变量与离散变量这两种结构设计优化方法;如依据难易程度进行分类，则可将其划分成截面优化、分布优化、种类优化、外形优化和拓扑优化，其逻辑关系如图1所示。在特定的建筑结构中，随着建筑结构设计优化档次的提高，相应的设计变量的维数逐渐增高，难度系数也随之加大。

(一)截面优化方法

应用截面优化方法时，通过有限元计算设计变量的结构位移和所受应力，直接借助灵敏度分析和科学的数学规划方法完成优化。其中设计变量和刚度矩阵呈现简单的线性关系，优化计算方法和灵敏度分析是应用截面优化方法的关键。优化设计连续变量的方法较多，例如规则法、仿生学计算法等;优化设计离散变量的方法主要有精准计算法、启示性计算法和相似计算方法。

(二)外形优化方法

外形优化方法和截面优化法相比，研究时间较短。外形优化方法是指在结构拓扑结构一定的情况下，通过对结构框架和内部形状的调整，以此来改进建筑物结构。以对象为标准划分外形优化方法主要分为连续体结构和杆系结构。其中连续体结构外形优化的主要包含解析和数值这两种方法;杆系结构外形优化首先选取节点坐标充当设计变量，并考虑截面优化，主要利用综合优化和分布优化这两种方法求解。

(三)拓扑优化方法

寻找建筑结构刚度的最理想的分布方式或者传力模式是拓扑优化方法的主要内容，便于减小建筑结构重量或者优化结构性能。拓扑优化方法能为建筑设计师在结构设计的起始阶段提供概念性设计，通过逻辑变量或者整数变量的形式来表现建筑结构的实际分布形式，进而使用最理想的布局设计方案，因此，与截面优化和外形优化这两种方法相比，它能创造的经济效益更大，且更易被工程设计人员接受。

五、建筑结构设计优化方法的实际应用

(一)优化设计应用

1.控制楼层高度

在建筑工程的设计过程中，如果在满足建筑立面、使用净高的基础上，合理地缩减楼层高度，则既可以缩减构件长度和体积，节省混凝土资源，还能降低土建成本。为实现这一目的，可以有效控制梁高、墙高和各层综合布线。

2.控制高度和宽度的比值

通常建筑物的高度和宽度的比值和抗倾斜力矩呈正相关，在设计的过程中考虑的剪切力墙等抗侧力构建也逐渐增加，这在一定程度上也增加了成本投入。如果在设计过程中能够有效地控制该比值，则也会节省工程成本，因此，高度和宽度比值的控制也是优化设计中必不可少的内容。

3.控制并优化梁的分布和配筋

在建筑主体结构中，其楼盖造价在主体总工程造价的比重达到10%左右，重量却达到21%左右。楼盖横梁的分布直关乎着楼盖板的结构和配筋，如果合理分布，则能节约较多的建设成本。现实生活中较为常见的主体结构柱网，其跨度通常在9米，平行梁或者十字梁是标准层首选，这主要是因为这种设计方式的受力比较小，在此种设计模式中，如果梁的受力情况近似相同，则其工程造价和呈“井”字的梁相比，可节省10%，然而在地下室中，最好还是选择井字梁，以此来保证受力，进而适应计算中的受力要求，达到净高标准。在具体的设计过程中可以优化节约位于填充墙下方的小梁，这主要是因为楼板的刚度基本上就能支撑填充墙。梁的重量逐渐减轻，自然工程造价也随之缩减，空间变得更大。在设计跨度较大的架框架梁时，尽可能低选择半径较小的配筋，以此来节省配筋，避免不必要的浪费，且受力也更加均匀，便于调整。

(二)工程实例

某办公大楼采用的是高度为七层构造的钢筋混凝土构筑结构体系，总建筑面积为6508平方米，由于施工场地的制约，建筑平面宽度为15.8米，长度为59.2米。将房间开间设计成5.0米，进深度6.8米，过道宽度2.5米，各楼层高度为3.8米。采用现浇式安装框架的梁、板。

1.建筑结构优化模型

首先，明确设计变量，通常设计变量为对建筑工程设计影响程度最大的参数，本工程可以选以结构造价为中心的目标控制参数，也可以选择以结构稳当度为中心的约束控制参数。对于对建筑工程设计影响程度较小的因素选作预定参数;其次，明确优化设计目标函数，并依次为依据进行优化设计计算;最后，明确模型约束条件。

2.分布结构的设计优化

(1)基础拉梁设计优化

该工程楼层较少且高度较低，因此选用短柱形式作为建筑基础。控制基础拉梁的截面高度在短柱中心距的0.05左右，保证基础梁配筋能达到建筑最小配筋率标准。

(2)基础设计负载设计优化

由于本建筑工程层高为七层，层数较少，若在具体的施工过程中地基的重点受力部位不是软性粘质土层，则可不必对其进行基础防震能力测验。另外，因本工程为钢筋混凝土构筑体系，在优化设计的过程中，一定要考虑风力负载问题。

(3)计算结构分析

建立建筑结构的优化模型后，对其进行计算，能够及时发现建筑结构设计中的问题，并制定针对性的解决方案，进而进一步优化建筑结构，最终达到建筑结构安全、经济适用、美观的预期目标。

结语

建筑结构设计优化是一项复杂、长期的工程，科学的结构设计优化，不仅能够降低工程预算，还能保证建筑物安全、经济、适用、美观。因此，工程建设单位应在保证工程质量和功能的基础上，结合建筑工程的实际情况，合理应用结构设计方法，不断提升工程设计师和结构师的专业水平，积极运用新型技术，不断探索，进而优化建筑结构，促进建筑的安全、可持续发展。

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