建筑结构设计阶段优化方法分析

孙 志 勇

(山西省人防建筑设计研究院，山西 太原 030013)



建筑结构设计阶段优化方法分析

孙 志 勇

(山西省人防建筑设计研究院，山西 太原 030013)

介绍了概念设计的主要内容，从结构布置、构件截面、地基基础、构造措施等方面，阐述了建筑结构概念设计的优化方案，旨在充分发挥各结构构件的功能，使建筑结构设计符合相关规范要求。

建筑结构，概念设计，地基基础，结构布置

0 引言

建筑结构优化的方法以及原理有两类：一类是数学规划法，借助于极值原理的概念，将相应的参数进行优化设计，找出最优参数；另一类是准则法，从结构力学的角度进行优化。两种方法各有优缺点，其中数学规划法有严格的理论依据作为设计的支撑，适应性比较好；缺点是求解速度比较慢，而且由于严格理论的存在求解会受到一部分限制[1]。而准则法的优点是优化时间相对较短，不影响重新分析的次数以及不涉及变量参数数量的变化，优化次数为10次左右就可以满足结构优化的任务[2]；缺点是没有严格的理论依据作为支撑，因此在实际中，一般认为是最接近理想状态的优化结果，但不是真正的最佳结果。在国内外对于准则法的不断优化中，逐渐对其进行改进，目前可以优化的结构问题中，变量的数量可高达上百万个，优化的范围比较广泛。

两种方法不断发展，互相弥补缺点形成一种新的方法，就是逼近概念法，结合了准则以及数学规划法，一方面有严格理论作为优化的基础，同时还具有不断逼近的功能，从而进行简化优化，然后用迭代法进行求解，最终得到优化解，达到结构优化的目的。截面优化问题中桁架的问题就使用该方法，设计变量取为桁架截面面积的倒数，然后进行结构设计的优化。

数学规划由于存在理论基础，可以与有限元软件进行结合求解，使得数学规划法的应用更为流行，随着结构优化的不断发展以及应用过程中存在的问题，已经不再是最初只能满足简单要求的优化法，现在说的结构优化是需要在系统上的优化及多目标优化、高层次的优化[3]。

建筑结构设计的工作很复杂，最基本的两项任务是设计需要实现的功能，以及实现功能后结构的可靠性以及安全性问题，另一项工作是在设计的时候考虑工程的造价问题，满足结构的各项功能指标的同时费用的控制也是很重要的[4]。

1 概念优化设计

建筑结构设计中，计算机的应用提供了方便性，使得结构设计的高度逐渐上升，结构设计人员对于繁复的计算工作不再进行手算，通过输入计算机中，经过有效地计算得出相应的结果。结构设计人员需要做的就是扎实的理论依据，以及丰富自己的经验，重点放在一些传统问题中比较棘手而且难以解决的问题，通过自己的分析以及经验对于问题得到更加合理的答案，从而使得设计方案更加的适用、合理以及经济，因此设计者的时间大多放在概念设计上。

概念设计的一整套流程就是设计人员首先从最初关于结构的信息(选型、布置、分析以及计算)等方面着手，然后解决遇到的问题，根据不同工作的规律以及流程，结合相关的经验以及因素，对问题进行解决、分析以及处理，最终确定合理的方案。

建筑设计方案一般结构布置方式有很多种，因此确定结构的布置方式是首要任务，一旦确定了结构的布置方式，接下来考虑的是受力荷载分析，荷载的分布以及受力同样需要进行选取以及确定；然后是建筑物关于细部的处理。在应用计算机进行处理的时候，上述工作是无法通过计算机单独完成的，需要设计人员的协助以及确认，根据自己在设计领域的专业知识以及经验进行判断。这些判断不依赖于计算机，靠的就是工程设计人员的理论基础以及经验，即所谓的概念设计。

概念设计中会出现很多问题需要解决，然后考虑在建筑物投入运行中可能受到的各种不利因素以及破坏力，这些都是概念设计的主要内容，因此在实际设计过程中要重视概念设计。

2 结构布置的概念设计

结构布置涉及受力，因此要从全局出发，综合抗震设计的基本原则，对于不必要的内耗问题要尽可能地降低，对于结构的刚度突变和扭转效应尽可能的减小，让构件的功能尽可能的充分发挥，尽其所能[5]。

在跟建筑师交底的基础上，对建筑物整体结构的布置和选型要充分考虑后再做决定。建筑师的要求是满足外观上的独特，以表达他的思维以及艺术的品味和判断，而对于结构工程师来说结构受力安全可靠才是最重要的，但是同时满足建筑师的要求，设计新的结构受力形式使得建筑师的设计得以实现。结构上一般对于简单的低层以及多层结构都是很容易满足的，其受力并不复杂，但是对于高层结构的设计，在建筑师表达自己的想法时，会出现与结构工程师脱节的情况，因此在与建筑师交底的过程中，结构师应该介入荷载的平面布置以及竖向布置，使得两者的要求皆可满足[6]。

建筑设计方案的完成标志着下一项工作的开始，结构方案的选择，每个构件都需要考虑受力，其中包括可预见的受力情况以及不可预见的受力情况。竖向构件的受力包括竖向荷载的传递以及风和地震荷载的作用，随着气温的变化，还会产生温度应力，因此对于竖向构置的部件，其位置要有利于温度应力以及水平荷载的承受。

水平承重构件的布置同样要考虑一系列因素，首先要传力路径简单明了，荷载的传递要迅速，即采取最方便快捷的方式进行，最后传递到基础或者地基上[7]，不合理的结构布置，会使得力的传递经过多层次，将原本简单的受力变复杂，最后传递到基础上去。

然后是结构构件的尺寸大小的确定，一般先按照经验进行选取，具体的大小根据相关的理论进行选择。

3 构件截面的概念设计

构件截面的设计，通过截面控制内力对构件进行正、斜截面的计算，然后进行配筋处理，概念设计在此处的应用最广而且也最重要，得出钢筋量后，钢筋的配筋方式也是很多种，不同构件以及同一构件的不同位置也是不同的，综合考虑各种因素后进行确定。

4 地基基础的概念设计

对于地基来说不确定因素很多，其中地基土就是一个，不同地区存在较大差异，而且目前为止，没有确定的模型供选择进行模拟计算，这同样需要设计人员的理论基础以及经验进行确定，对可能出现的问题以及因素进行分析和预测，之后对应对方案进行选取，找出最佳方案。

结构设计最常用的方法就是独立计算，将地基、基础以及上部结构分别进行力学计算和分析，这种计算方法的缺点就是跟实际脱离比较大，其实缘由很容易解释，就是在进行力学性能计算的时候，整个结构是连带关系，上部结构的受力必然会影响下部结构的受力，但是理论计算的时候的相分离策略忽略了这一点，造成了较大的数值差距。这就要求设计人员具备扎实的理论依据，构件之间的受力联系以及荷载的传递有较高深的理论依据，综合各项因素，各个角度得出最佳方案。

5 构造措施的概念设计

结构设计完全依靠理论得出的设计方案在实际中存在较多问题，甚至对于荷载的承受能力不足，不能满足耐久性以及可靠性要求，特别是发生地震等非常见的荷载作用，结构会发生较大的破坏，完全失去承载能力，为了防止此类事件的发生，一般会进行构造措施的设计。有经验的设计人员提出的解决方案就是使用一部分对抗震有利的构件，提高结构的整体性以及延性。

6 结语

概念设计的内容包含太多，而且需要设计人员从主观层面上进行各种理论的分析以及计算，合理的方案才能形成。通俗说法就是设计人员根据自己的经验以及相关的理论进行结构优化设计从而确定最佳方案。对于结构优化的深度性以及优化的正确性完全依据设计人员的专业素养，尤其是解决实际问题的能力，更是依靠从事设计工作设计经验的累积程度。

[1] GB 50009—2001，建筑结构荷载规范[S].

[2] GB 50068—2001，建筑结构可靠度设计统一标准[S].

[3] GB 50010—2002，混凝土结构设计规范[S].

[4] GB 50011—2001，建筑抗震设计规范[S].

[5] JGJ 3—2002,J 186—2002，高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[6] SAVE Internation,U.S.Govenvnent Value Engineering Requirement,home page URL:http://www.value-eng.com/about gov.html，1997:78-80.

[7] John Kelly,Steven Male.Value Management in Design and Construction[M].London, New York: E&FN Spon,1998:76-79.

Analysis on optimization methods of architectural structure design phase

Sun Zhiyong

(ShanxiCivilAirDefenseArchitecturalDesignInstitute,Taiyuan030013,China)

This paper introduced the main contents of design concept, from the structure layout, component section, foundation, structural measures and other aspects, elaborated the optimization scheme of architectural structure concept design, aimed to give full play to the function of structural members, made the architectural structure design to meet the specification requirements.

architectural structure, concept design, foundation, structure layout

1009-6825(2016)20-0039-02

2016-05-03

孙志勇(1989- )，男，助理工程师

TU318

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