浅议结构优化设计

李可程

摘 要：传统的结构设计过多地依赖设计者的主观判定。伴随社会日新月异的发展，现代的优化设计更科学、更理性、更全面地选择出安全、耐久、经济、先进的最佳方案。

关键词：结构设计；优化；优化设计

早在三百多年前，意大利科学家Galileo通过理论和实验的研究，在解决杆件尺寸与其所承受荷载间的关系时就提出了等强度梁的概念。到20世纪60年代Schmit把数学规划的方法引入到结构优化领域中，这标志着现代结构优化设计时代的开始。20世纪80年代王光远院士在结构抗震设计中引入优化理论，提出了同时考虑结构本身造价和工程失效导致的总损失的抗灾结构优化设计的目标函数。

1 结构设计概述

传统的结构设计是设计者依据设计要求，结合自已的经验通过判断给出或假定一个设计方案和做法，用工程力学方法进行结构分析，以检验是否满足规范规定的承载力、刚度、稳定、尺寸等方面的要求。现在的优化设计是由计算机程序根据特定优化目标，在众多的设计方案中自动搜索出符合优化目标的设计变量，从而选择出最好的一个设计方案，而不再需要人为假定各种构件的截面尺寸和材料强度等级。

任何结构的存在都是为了实现其功能，结构在规定的时间、规定的条件下完成预定功能的能力就称为结构可靠性。影响结构可靠性的不确定性因素很多，贯穿于设计、施工和使用过程中，只有对这些因素进行有效的管理，才能保证结构满足规定的可靠度水平。当一个结构需同时实现多种功能，如结构中的钢筋混凝土梁要同时满足极限承载能力状态的抗弯、抗剪、正常使用极限状态的挠度、裂缝宽度限值等要求，设计时就需要分别进行抗弯、抗剪能力设计和挠度、裂缝宽度验算。目标可靠度的确定应以达到结构可靠性与经济性最佳平衡为原则，以社会经济承受力、结构破坏性质、结构重要性、公众心理为关注点。

2 结构优化设计的原则和目标

遵守国家、行业现行的标准、规范、规程及工程所在地的地方标准，并应结合工程实际情况，与建筑、设备专业紧密结合，以期安全适用、耐久舒适、经济合理、技术先进、确保质量。

建筑结构优化设计是符合特定需求或各种规范的前提下，得出最好的某种建筑结构的指标。对常规的突破从某种意义上讲是优化设计的特征，然而绝不以牺牲安全来追求更高经济效益作为结构优化设计的目标。结构优化设计是从很多个，甚至无限多个可用方案和做法中挑选材料精省、造价低廉、或其它指标最佳的方案和做法。从而使工程结构设计从“分析与校核”发展为“综合与优选”，究其本质就是建筑结构优化设计。

结构设计优化是建立在深厚理论基础、丰富工程经验上；指导设计规范的实质掌握；用更科学的结构分析设计方法进行进一步细化、优化。优化好的设计可减少甚至避免差错及返工，使设计安全隐患得以排除，优化设计的目标是合理化的结构体系和充分应用高新技术所带来的更高效益。

3 结构优化设计的意义

安全经济地建设工程项目是结构设计的最终目的，工程的造价、质量和进度受到建筑结构设计的很大制约。建筑工程总投资中很重要的一部分就是建筑结构造价，结构投资控制直接影响建筑总投资。德国专家墨尔的调研表明，各阶段工作对投资的影响随项目的开展而逐渐降低，方案设计阶段其影响度可达95%，到施工阶段不足10%。工程项目的质量目标与水平的具体化是通过设计实现的。专业之间出现矛盾、设计变更、设计质量的好坏等都将对工程造成重要影响。建筑结构设计还制约着工程造价、质量和进度：其在相应范畴内彼此制约。结构工程师应将成本控制意识贯穿设计始终，以严苛的技术要求对待每一次工程设计，使自身专业技术水平不断提升。

结构优化设计也会受到政府主管部门监控不力、业主优化意识不强、开展缺乏必要的压力和动力、运行机制不完善等因素影响。综上所述，要做好结构优化设计需要多方的共同努力，以达最佳效果。

4 建筑结构设计质量的优化管理

建筑结构设计的首要任务就是安全和耐久。这直接关系到人民的生命财产安全。

4.1 设计单位内部管理

做好设计优化的管理工作实质就是提升设计产品的质量。建筑设计完美地揉合了艺术创作和科学技术，其内容和外表状态随使用功能和性质的不同而迥异。结构设计产品的特有属性表明其设计成果和服务的质量不可用常态固有标准来评判。这是科学与艺术双重创作的理性碰撞，是创作构思与科学计算的合理结合；而在此过程中会不断萌生出全新的思绪，不可一成不变地照搬原有的、陈旧的模式。结构设计质量的优化管理实质是强化、强调其“全程管理”，究其本质是运动的、发展的，由分到整、从管理点到强化点，由方案到施工图的全程细化、优化和筛选。

4.2 建筑结构的精细化设计

这一要求涵盖了基础选型、结构体系、材料选择、过程监控等环节，直至生产出质优的建筑结构设计产品。结构设计最低标准就是确保结构绝对安全。结构设计的根本环节丝丝相扣：涵盖概念设计、构思、结构创作、选型等方面的方案设计要对比选取出承载能力高、抗风力及地震作用性能好、施工方便的结构体系和结构布置方案，最优的体系必须拥有明确受力，简捷传力；合理的计算模型、程序和方法等直接决定着结构分析或计算成果，依据规范和设计经验对估算结果严格比对分析；结构设计的保证体现在细部设计和结构构造上，以概念设计为契机，确保结构完整性和足够的承载力、刚度，应保证抗震结构的弹塑性和延性，对结构的关键、薄弱部位应加强构造措施。

4.3 结构现场技术服务

工序管理过程中，建筑结构专业的工作内容涵盖方案制定、初步设计、计算分析、绘制施工图等方面，还应格外注意与业主沟通、工程现场、工程施工过程等细节问题的处理。针对此类问题提供规范性的技术把控，对确保设计质量、为业主提供优质服务都起到重要作用，是建筑结构设计经济合理性的技术支撑。

参考文献

[1] 朱杰江.建筑结构优化及应用[M].北京大学出版社，2011.

[2] 徐传亮，光军.建筑结构设计优化及实例[M].中国建筑工业出版社，2012.

[3] 朱炳寅.建筑结构设计问答及分析[M].中国建筑工业出版社，2009.