建筑结构优化设计可行性研究分析

徐 超，张 宁，王春林

（赤峰学院 建筑与机械工程学院，内蒙古 赤峰 024000）

建筑结构优化设计可行性研究分析

徐 超，张 宁，王春林

（赤峰学院 建筑与机械工程学院，内蒙古 赤峰 024000）

通过一系列调研对结构设计存在的问题、结构优化设计方案的可行性及实施方法进行分析总结.本文可以为建筑行业结构设计提供明确的优化设计方法，一定程度上降低结构工程成本，可供实际工程设计参考.

结构优化；结构设计；公共民用建筑；可行性分析

随着我国经济的发展，党的十八大报告首次正式提出全面“建成”小康社会.老百姓对物质生活要求变高，越来越多的中国人愿意在第三产业发达的城市生活，据统计2015年北京常住人口达到2170.5万人次，其中四成人属于其他城市前来务工人员，加大了一线城市住房压力.随着人口的继续增长，建筑物越来越多，土地资源、住房等变成了中国百姓的刚性需求，但是土地资源有限，进而土地价格越来越高，从而导致了建筑商的建筑成本也越来越高,随之而来的住房问题也日益突出，尤其以北京、上海等一线城市房价居高不下，百姓住房满意率降低，虽然政府出台了一系列政策，但是仍然有社会负面现象的存在，例如，学区房坐地涨价，炒房现象日益严重，“房哥”“房姐”等新型词汇在网络上层出不穷.面对突出的住房问题，从结构设计层面上解决部分相关问题近些年也被重视起来.

建筑结构设计所遵循的三大原则是安全性、耐久性、和适用性，在满足建筑结构三个原则的基础上追求经济效益的最大化就是建筑结构优化的根本目的所在.我们首先要深入了解什么是结构优化设计、结构优化设计的意义何在、我们为什么要进行结构优化设计、结构优化设计是否具有生存空间、结构优化设计方法的实现途径是什么？这些问题都是我们要探讨研究的事情.本文围绕上述问题研究分析并进行阐述.

1 结构优化设计定义

建筑结构的优化设计是指在特定的限制条件内，完成预定设计目标（例如：重量轻、强度最高、刚度最大、成本最低）的最优设计方案，也可以将此方案称为结构最优设计或者最佳结构设计.其中在保证安全性、适用性、耐久性的前提下，强调整体设计的成本最低是当今建筑市场、建筑行业所追求的热点.追求成本最低使得甲方建筑成本降低，从而在某种程度上缓解了老百姓的购房压力，也有助于当今中国社会的和谐与稳定.

2 结构优化设计必要性分析

进行结构优化设计的必要性围绕着材料成本、结构设计人员、设计企业、结构科研软件、业主甲方以及施工方等方面进行阐述.

2.1 材料成本需求

在中国社会，常见的建筑结构形式按材料类型分为钢结构、砌体结构、钢筋混凝土结构.所需钢材、混凝土、砌体等常见材料的价格成本占主体结构总成本的50%以上，所以进行结构的优化设计，找出最优最省的结构设计方案，可大大降低材料的损耗，从材料上降低成本，另外节省了建筑使用材料对我国生态环境、固有资源也会带来良性的影响，例如：砌体结构中的红砖，需要经过砖厂的煅烧工艺，此生产过程使用大量的粘性土，浪费土地资源；煅烧过程中也难免造成环境污染现象.

结构设计人员专业素质水平参差不齐，有些设计人员完全依赖结构设计软件，在进行结构设计时，设计方案偏于

2.2 结构设计人员因素

保守，势必会造成结构设计作品的不合理，进而在设计院常出现结构设计不是最优设计，将这样的图纸应用到施工第一现场，增大了建筑成本，所以对结构设计人员进行专业培训的同时有必要对结构设计图纸进行结构优化.

2.3 建筑设计企业

据统计，设计责任是造成建筑工程质量事故的主要因素，占据了大约40%的比例，现阶段各个设计单位水平良莠不齐，设计质量差导致停工、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.

2.4 业主、甲方因素

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因素，业主并不能奢望设计单位帮助其进行成本控制，必须另谋出路.结构优化设计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.

2.5 结构科研软件的局限性

设计院所做的结构设计图纸一般通过科研软件来实现，软件的局限性势必造成结构设计的不合理性，举一个例子：做一个民用建筑框架结构，主要用途为教学办公，如果其中一个空间为化学实验室，里面存在着挥发性物质，那么规范要求对此空间应按照正常使用的极限状态设计理念进行设计，要求梁、板、柱等构建不允许出现裂缝，可是软件没有对整个结构的某一个空间单独定义的功能，我们知道，混凝土构件正常工作一般是允许裂缝存在的（特殊要求除外，例如化学实验室等），这样结构的所有空间按照同一设计理念进行设计是存在不合理性的，通过结构优化设计可以避免这一现象的产生.

2.6 施工第一现场

现在好多工程都存在设计单位和施工现场不在同一城市或同一区域，结构图纸出现不符合施工现场环境的情况或者出现结构图纸有错误的情况普遍存在，施工技术人员与结构设计人员沟通不方便，图纸变更变得困难，为了避免类似情况发生，结构优化设计更显得尤为重要.

3 结构优化设计的生存空间

结构优化设计企业利用结构专业知识对民建施工一线的工程图纸进行结构优化，主要盈利方式是将设计院结构施工图纸最大限度的进行优化处理，使得工程在保证结构安全的前提下追求利益最大化，优化后的结构图纸与原图纸比较，经过图纸预算后，从差价中赚取提成，同时工作室承接项目结构变更业务，为施工第一线提供最大的便利及经济效益.只要结构工程中出现文中“为什么要进行结构优化设计”所阐述的五方面问题，那么结构优化设计就有足够的生存空间.

4 结构优化设计的实现方法和途径

如何优化结构设计，从哪些方面入手是结构优化要解决的首要专业问题，根据从事设计经验进行总结分析，归纳到以下四点：

4.1 结构形式的优化

随着结构设计的日趋完善，异形结构越来越多的出现在了结构优化图纸中，有些异形柱是为了结构的特殊性，也有的是为了建筑的整体美观要求，还有的是为了节省材料.例如为了防止柱子凸出墙体而采用T形柱作为边柱，采用L形柱作为角柱，在保证强度和刚度的前提下，采用这两种截面形式的柱子可以有效减少柱子凸出墙体现象的发生，保证建筑空间的完整性，并节省了建筑材料.

4.2 建筑结构抗震设计的优化

良好的抗震结构体系往往由多个延性较好的分体系组成，各分体系之间利用延性较好的结构构件连接.鉴于地震过程中存在着多次余震，必须保证主要耗能构件有足够的延性和必要的刚度，来保障吸收地震的能量，提升抗震性能，避免出现大震倒塌的现象.在设计过程中要处理好构件刚度和延性的强弱关系，尽量保障在同一楼层内的主要耗能构件屈服后，其他的抗侧力构件仍然处于弹性阶段，延长“有效屈服”时间，提升结构的延性和抗倒塌能力.

4.3 建筑结构平面优化

如果建筑结构的平面并不规则，则会在设计过程中引起刚心、重心和质心不在一点，导致结构在使用过程中发生扭转，并且在水平荷载如地震荷载的作用下出现扭转振动.为了避免这类现象的出现，建筑结构的平面应采用方形、圆形、矩形或正多边形等简单的形式.若因某些原因无法全部采用简单的平面形式时，应该尽可能控制平面的不规则程度，使其在规范允许的范围内.

4.4 建筑结构静力分析方法优化

常用的静力分析方法有如下几种：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.多数情况下建筑结构的内力是根据按弹性方法计算得到的，往往忽略了塑性变形时的内力提高，这样会导致计算结果不准确，设计截面偏大，造成的材料浪费，工期的延长等结果.因此，除了符合杆系特征的杆件选择弹性静力法设计以外，其他构件可以采用有限元法来进行辅助分析，此部分工作也可以由结构优化设计完成.

5 结束语

利用结构设计优化的技术方法，能提高有限的空间、有限的资源，让其最大化的效果发挥，实现了经济化、实用性和适用性的良好目标.满足了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，同时，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.

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TU318

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1673-260X（2017）09-0049-02

2017-06-07