浅析结构优化设计在建筑工程设计中的意义和应用

王 祎

中盛精诚工程项目管理有限公司贵州分公司 贵州 贵阳 550081

建设工程是建设工程的组成部分，对建设工程的质量至关重要，良好的结构优化设计有助于改善建筑性能。相反，如果结构优化设计不利于建筑工作，则很容易产生安全问题。因此，设计人员在对建筑工程进行结构优化设计工作时，必须注意一定的优化设计程序，以保证建筑工程的整体质量和安全。

1 结构优化设计的含义及意义

1.1 结构优化设计的含义

结构优化是在建筑工程中追求结构优化规划，综合考虑结构安全性、易用性、美观性、经济性等因素。结构优化设计针对特定项目，具有地理环境目的、原材料供应条件、个人审美要求、成本控制措施等限制。结构优化设计是通过在有限的情况下满足项目的需要，认识设计的特点，采用适当的优化技术来实施优化的设计方案。优化设计的内在驱动力在于找到安全性、经济性和易用性的最佳组合。结构优化设计的过程始终是一个发现问题和解决问题的过程，需要专业技术人员概念设计、计算分析和同行评审方面的技能，还需要专业外的合作与协作。因此，结构优化设计是一项系统工程。

1.2 结构优化设计在建筑工程设计中的意义

结构优化设计作为建筑工程设计的基础，可以保证建筑工程结构的整体安全和空间资源的有效利用。然而，由于施工环境复杂，市场发展环境多样，结构优化设计在设计教育中的科学有效性并不能得到保证。长期来看，建筑施工可持续性不强，将阻碍建筑业的健康发展。为此，开发商应从科技资源入手，并结合房屋的实际建造状态来优化设计，从而避免了其他因素的负面影响，满足了人们对舒适性和环境稳定性的需求。

2 建筑施工结构优化设计内容

2.1 结构的概念优化设计

优化设计概念设计主要包括建筑系统选择、场地选择、建筑尺寸合理化、建筑布局等，选择一个合理的系统，，尽可能多地使用规则的平面形状，提高执行结构优化设计，对于节省设计成本尤为重要[1]。

2.2 主要构件的优化设计

主要构件的优化设计主要包括结构图的简化、建筑材料的选择、构件的选择、电枢的设计等。对于适当的结构优化设计，部件的大部分加固必须在结构加固的允许范围内。如果设计者不理解规范的目的，随意通过增加材料的用量来解决安全问题，设计不仅不会变得更安全，反而会起到反作用。

2.3 细部节点的优化设计

细部节点的优化设计主要包括外饰条、飞檐、环梁和压顶结构的优化，这些都是设计师经常忽略的。但是，由于这是建设成本的重要组成部分，因此必须严格控制以防止进一步损失。

3 建筑工程设计中结构优化设计存在的问题

3.1 结构优化设计方案欠合理

结构优化设计规划包括结构系统层面的总体布局，还有材料组件、截面选择以及梁、柱、墙和基础空间的布局。虽然规划结构化项目的存在理由一直是研究人员和工程师的工作，但两组的出发点、研究方法和思维方式实际上是不同的。虽然科学研究人员希望从根本上确定最佳结构优化设计决策的基本原理，但工程师对工程师的状况有更好的了解，并且结构优化设计是以安全为基础的，设计师必须做好行动规划。从这个角度来看，工程师的出发点更接近实际项目，评估建设计划的合理性会更正确。然而，根据工作的性质和内容，很难仔细评估和改变计划的基本原理，因为大多数工程师的设计经验有限，缺乏培训和更新会导致计算理论知识缺乏支撑。当研究人员分析结构优化设计计划的基本原理时，不会考虑技术和边际错误。未能正确考虑技术错误会导致有风险的测试结果，不可接受的容错会导致保守的测试结果。这说明科研人员与技术人员之间缺乏信息交流，导致理论研究与工程实际需求之间缺乏足够的理解。以设计工程为例，当研究深度不足时，难以保障设计方案的合理性，而正确优化设计方案的依据是资质水平不足和可靠性低。而且，我国还在不断地对房地产项目管理制度的实施进行检验和评估，其唯一的标准就是规范。只要不违反标准，大多数承诺都可以避免，设计师仍然可以专注于“安全”并保持冷静。在讨论项目结构方案合理性的阶段，考虑到宏观层面留下了很多要求，阻碍了项目结构方案在更高层次和方向上的合理发展[2]。

3.2 造价管控力度不足

造价管控力度不足主要表现在两个方面：一是设计人员对配额制定的了解不够，二是成本管理方法和制度还不完善。从长远来看，对设计师来说最重要的是施工的安全性。当他们的设计能力不够时，他们不会牺牲节省来为结构提供更大的安全边际，这是一个结构优化设计师，对项目成本没有给予应有的重视。在大多数工程项目中，结构优化设计工作与整体项目投资管理的联系并不紧密。资本成本管理是一个技术和经济问题，许多建筑设计师都这么认为，他们不认为他们正在积极管理建设成本，因为从长远来看，工程无法过度使用来完成工作。然而，在实践中，项目成本管理不仅仅是一个工程和经济问题，而是一个需要所有部门合作的问题。施工也符合设计结果的共识，考虑到工程总成本的大部分，这是造价管控的来源之一。如果在设计阶段不主动控制方案优化的成本，在项目的后续实施过程中很难回到之前的成本。在成本管理方面，现有的方法和系统仍然可以改进。

4 结构优化设计在建筑工程设计中的应用

4.1 优化结构优化设计方案

结构优化设计方案的优化可以从整体结构布局优化、结构构件布局优化、结构材料选用优化三个方面来实现。整体结构布局的要求决定了结构整体布局的宏观要求，但不限制结构整体布局的可变性。对于同一个参考平面，关联的参考平面可以不同。但是，为了在整个游戏过程中赋予整体结构布局灵活性，必须首先充分了解建筑计划的内部逻辑，以每个表面的点数计算，然后选择合适的结构载荷。此外，重点安装结构的特殊承重部位，如加强层和过渡层，以实现整个结构的协调统一。结构构件不足优化主要与主要承重部件的放置有关，如梁、柱、墙和基础。现有的结构优化设计规范系统为组件放置提供了相对完整的指南，开发者必须对规范体系有完整的了解，并详细应用相关规则。在此基础上，根据项目中的实际情况和结构优化设计理念，采用三维方案的设计计算参数、构件放置、局部空间布局。结构的物理性能与零件的强度、硬度和稳定性有关，材料的选择应主要由零件的力学性能决定。对于中等载荷的构件，使用相同数量的每种强度的混凝土或钢材。随着建筑结构体量的增加和对建筑下方强度要求的提高，对构件的承载能力、抗变形能力和抗外力侵蚀的要求也随之提高。随后，出现了具有力学和物理性能的高强混凝土、超高强混凝土、超高强钢以及各种结构材料。为此，在结构优化设计中充分考虑到结构材料选用优化，在合适的地方选择合适的材料，使不同的材料能够最大限度地发挥效率，保证材料的高利用率[3]。

4.2 基于建筑结构体系类型的选择

建筑系统类型的最佳设计方法通常是选择建筑结构体系，最重要的输入因素包括建筑功能、高度、结构、抗震要求和环境要求。目前我国城市建筑的结构主要由三种类型组成：一种是框架结构，一种是框架位移结构，三是位移墙结构。特别是，建筑结构经常用于建筑项目的设计过程中。与其他类型的结构相比，抗震性能高，制造成本低，减少了材料的使用。框架结构的优点是灵活性高，有利于增加建筑物的内部空间，而且造价低。框架杯结构是一种工程设计形式，是一种具有高灵活性和良好侧向阻力的设计形式。设计者在完成一个建筑工程的优化设计时，必须综合考虑设计要求、操作要求、工程造价、技术、施工等多方面因素来选择合适的建筑工程结构体系。确保建筑物处于最佳工作状态，可以避免浪费资源、控制成本，并从建筑业务中获得经济效益。开发人员通常在选择工程架构类型后使用结构优化，以偏墙结构的选择为例，在选择偏墙结构的应用后，应进行基于连梁的优化设计操作。一般来说，为了提高建筑物的抗震性能，需要增加锚梁的刚度，但增加刚度会增加锚梁与墙体之间分布的张力，而审查显示材料质量有显著提高。因此，当不需要坚持优化设计时，设计师必须优化具有松散耦合梁的大型建筑结构。立柱的位置直接决定了建筑内立柱之间的距离，一般立柱网格的尺寸为6-12m，如果杆间距太小，力会直接作用在输电线路上，减少输电线路的长度。虽然这种优化技术可以有效减少建筑物上方的材料量，但根据建筑物的整体基础设施，这种技术会增加项目的总体成本。设计师在优化时应将成本视为一个重要因素，会影响建筑项目的设计和成本，数量和大小也会影响项目的成本。因此，设计师在完成建筑立柱布局设计后，必须对断面进行合理优化，为管理项目成本奠定基础[4]。

4.3 提高结构优化设计手段

计算能力的显著提高和计算机辅助设计软件能力的不断发展，有力地支持了当前的结构优化设计。这些数字技术应用于结构优化设计，以提高结构优化计算的质量和效率。这些应用在计算机辅助设计中的应用在未来将倾向于扩展结构优化设计，特别是随着建筑结构尺寸的增加和结构形式的复杂性增加，可以从各种结构化的计算机程序和平台中进行选择。不同的软件和平台有不同的扫描选项、不同的扫描目标、使用不同的计算资源，并且各有其利弊。因此，在本项目结构优化计算中，选择首先明确边界条件和分析的目的，然后选择软件和计算机平台作为目标。如果模型没有通过所有的测试，计算软件也不能保证结果的可靠性。因此，正确的方法不限于特定的模型或软件，而是被广泛使用，包括在手动计算中，采用多种计算方法，达到结构优化的最终设计目标。

实际使用支持计算和结构优化设计的计算机软件，需要对软件的计算逻辑和范围有准确的理解，只有在此基础上才能正确使用。目前，我国自主研发的基础结构优化设计和分析软件的功能正在迅速变化。总的来说，该软件提供了复杂强度计算、零件截面验证计算、混凝土配筋计算、钢结构火灾探测计算、异形等功能，大大简化了设计人员的工作，同时也提高了设计人员的要求，设计参数更丰富，参数设置更自由，设计者必须了解每个参数的重要性以及如何影响结构分析。否则，软件本身将无法发挥其强大的功能，会浪费软件资源，可能导致设计错误，从而产生严重后果。在提高结构优化设计的过程中，可以看出提高结构优化设计人员在计算机软件领域的知识和技能水平是非常重要的。基于常规基础设计软件的功能，设计特定复杂结构需要通用大型结构分析和有限元分析软件。该软件具有强大的力学分析能力，最重要的数据是整个结构的力学性能和局部构件区域复杂内力的结果。由于该软件的参数化自由度大于传统的结构优化设计软件，一些参数值的微小差异会导致结果的较大差异。因此，项目开发人员必须能够在使用输入条件时做出准确的决策，提高计算和评估结果的可行性。除了结构分析和分析软件，结构优化设计师还需要学习一些实现BIM概念的软件。BIM技术用于建筑结构的设计、施工、使用、运营和维护，BIM技术的应用还可以帮助提高设计师对整个建筑结构的理解，从而简化设计过程，做出更明智的选择[5]。

4.4 柱箍筋与框架梁的优化

对于抗震能力不同的框架梁，支撑间的最小和最大距离设置在柱支撑密度范围内。根据该规则，本工程设计的过梁密度柱状范围内过梁间距最大为100mm。在计算机程序的一般信息栏中，还指出柱箍筋与框架梁之间的距离（应该是120mm），设计人员将与指定的规格一起确定柱箍筋与框架梁的数量和直径。计算机程序计算需要在密集载荷作用下在集中载荷作用点处，因此需要增加柱箍筋与框架梁的直径。在框架梁设计中，确定框架梁支架密封区域边界后，未编码区域的支架间隙过大，支架分配比例不足，支架间距不足够的。这里讨论的柱箍筋与框架梁都被认为是未加密区域的，在弯曲不足和位移较大的情况下，无需考虑实际要求。

4.5 建筑结构电气优化设计

建筑结构电气优化设计是优化建筑结构的一个非常重要的环节。在房屋建筑中，布线用于准确布线电线，以便可以有效地安装在建筑物的地板或墙壁上。在安装电气导管时，必须考虑优化措施以获得一定的好处，因为许多因素会增加优化设计的刚性。例如，在铺设电缆时，如果导管穿过混凝土墙，则需要提前预留开口。如果没有孔，则需要重新钻孔以使电线穿过墙壁，但是这会影响房屋结构的外观并削弱墙壁的完整性。为了优化建筑结构，有必要确保建筑物墙壁的宽度与所考虑的梁的宽度相匹配。如果梁的宽度与墙壁的宽度不匹配，则必须执行必要的程序，以确保被正确固定，并且电线不会从建筑物的墙壁上泄漏。同时，电气也是设计过程中非常重要的一环。一般来说，一栋建筑物的电梯井有很多空腔，这些空腔是由几个部分组成的。要解决这个问题，设计师必须保证电梯设计的独立性，以及房屋整体设计中优化设计方法的效率和合理性[6]。

5 结语

综上所述，当今人居环境的整体需求日益增长，对建筑产品质量的要求也在不断提高。为了降低设计成本，需要采用结构优化设计技术，充分利用结构优化设计资源，实现结构优化设计项目的预期目标。同时，在将结构优化设计方法应用于建筑结构时，既要说明优化设计方法，也要应用不同的建筑体系，采用新的施工技术，结合实际施工情况，确保建筑结构的安全性，提高建筑整体质量，使建筑公司能够在竞争激烈的建筑市场中站稳脚跟。