工程结构优化设计理论

庞学椿 杨建兴

摘要：与传统的建筑结构设计相比较，结构设计优化不仅能够降低建筑造价，而且通过优化结构投资方向，提高关键结构部位或构件的安全度、延性和韧性，从而提高整个建筑物的安全度。通过这种有的放矢的优化设计，使整个建筑物的土建投资有效利用率大大提高

关键词：结构优化 设计 理念

中图分类号： TU318文献标识码： A

结构优化设计，能大大减少建筑造价并提高结构的安全度。设计单位在进行结构设计的时候，在建筑功能需求得到满足和遵循相关规范和规程的前提下，应综合考虑施工的可行性、施工进度和投资造价以及结构安全性等诸多要素，合理优化结构投资方向，使结构设计成为一项系统工程，做到设计成果既安全可靠，又经济合理。

一、建筑结构优化设计的意义

进行结构设计优化的原因概括起来有以下几方面：

1、钢筋混凝土和砌体等常用建筑材料的费用构成了结构成本的绝大部分，而这一部分成本通长占到结构主体造价的4０％以上，通过结构优化设计能够将建筑工程的总造价减少１０％~３５％ 。对于一个大型的工程来说，这将是一笔不菲的费用，并且结构的安全度也得到了提高，因此结构优化有助于建设方减少投资，增加利润和提高资金周转率，其经济价值巨大。

2、据统计设计责任是造成建筑工程质量事故的主要原因，占据了大约４０％的比例。现阶段各设计单位设计水平良莠不齐，设计质量差导致施工停工或返工的现象时有发生。有些设计单位缺乏成本意识，算不清就多配钢筋，造成有些关键构件的设计反倒偏于不安全，这些现象有的造成了资源和成本的浪费，有的对建筑工程留下了潜在的危险。因此进行合理的结构优化设计，能够帮助业主提高设计质量并消除不必要的质量缺陷和工程风险，同时在减少不必要投资的前提下获得高品质的建筑，也符合创建节能、安定型社会的宗旨。

3、随着国家宏观调控力度的加大和原材料价格的上涨，通过销售获得利润的空间被大大压缩，从内部挖掘潜力，节约成本成为企业赢利的重要手段，科学合理的节约成本能够提高企业的盈利率和生存能力。在这方面一些意识超前的业内知名企业，如万科、金地以及诸多国际公司已经率先垂范。

二、建筑结构设计优化方法的应用及实践价值

1、结构设计优化方法的应用

结构设计的优化主要在两个方面进行应用，一方面是在建筑工程的结构总体上的优化设计，这主要包括结构体系和结构选型，具体是指房屋的结构类型、房屋的高宽比、长宽比、房屋的结构材料等。另一方面就是结构工程分项部分的优化设计，这主要包括基础结构方案的优化设计、屋盖系统方案的优化设计、围护结构方案的优化设计和结构细部设计的优化设计。对于这些方面的设计我们需要在结构选型、受力分析、造价分析上进行研究，并在满足整个设计规范以及建筑实用需求的前提下，对整个建筑的实际情况进行优化，以降低建筑成本，提升经济效益为目标，进行结构上的优化。

2、结构设计优化方法的实践价值

与传统的建筑结构设计相比较，结构设计优化不仅能够降低建筑造价，而且通过优化结构投资方向，提高关键结构部位或构件的安全度、延性和韧性，从而提高整个建筑物的安全度。通过这种有的放矢的优化设计，使整个建筑物的土建投资有效利用率大大提高。

三、建筑结构优化设计的内容

1、建筑结构抗震设计的优化

尽可能设置多道抗震防线，一个良好的抗震建筑，应该由多个抗震延性良好的结构分体系组成，而且各个结构分体系应该能够有效地协同工作。

一次强烈地震后往往伴随着多次余震,一栋抗震良好的建筑物，在经受主震和余震后，要求能够保证“小震不坏、中震可修和大震不坏”，这是基本要求。如果要设计延性更高的建筑物需要根据其抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构类型和不规则性，建筑使用功能和附属设施的功能要求、投资大小、震后损失和修复难易程度等，对选定的抗震性能目标提出技术和经济可行性综合分析、论证和优化设计。

建筑结构的抗震性能化优化设计，应根据实际需要和可能，具有针对性：可分别选定针对整个结构、结构的局部部位或关键部位、结构的关键部件、重要构件、次要构件以及建筑构件和机电设备支座的性能目标。

建筑结构抗震优化设计应遵循以下原则：1.分析模型应正确、合理地反映地震作用的传递途径和楼盖在不同地震动水准下是否整体或分块处于弹性工作状态；2.弹性分析可采用线性方法，弹塑性分析可根据性能目标所预期的结构弹塑性状态，分别采用增加阻尼的等效线性化以及静力或动力非线性分析方法；3.结构非线性分析模型相对于弹性分析模型可有所简化，但二者在多遇地震下的线性分析结果应基本一致；应计入重力二阶效应、合理确定弹塑性参数，应根据构件的实际截面、配筋等计算承载力，可通过与理想弹性假定计算结果的对比分析，着重发现构件可能破坏的部位及其弹塑性变形程度。

2、建筑形体、结构体系和结构规则性的优化

建筑形体从根本上决定了建筑物的安全性和经济性，必须根据建筑形体合理确定结构体系，一般说来合理的结构体系应具有以下特点：（1）具有明确的计算简图和合理的传力路径；（2）不会因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力；（3）具备必要的抗震承载力，良好的变形能力和消耗地震能量的能力；（4）对结构可能出现的薄弱部位，做出合理的优化设计，提高其抗震能力；(5)具有多道抗震防线；（6）具有合理的刚度和承载力分布，避免产生应力集中或塑性变形集中；（7）结构在两个主轴方向的动力特性相近。

建筑设计应重视其平面、立面和竖向剖面的规则性对抗震性能和经济和理性的影响，择优选择规则的形体，其抗侧力构件的平面布置宜规则对称、侧向刚度沿竖向宜均匀变、竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减少、避免侧向刚度和承载力的突变。体型复杂、平立面不规则的建筑，应根据不规则程度、地基基础条件和技术经济等因素合理确定防震缝。

建筑形体应尽量避免或减少平面不规则（包括扭转不规则、凹凸不规则、楼板局部不连续）、竖向不规则（侧向刚度不规则、竖向抗侧力构件不连续、楼层承载力突变）。

3、建筑结构的优化设计和分析计算方法。

建筑形体及其构件布置不规则时，应尽量采用空间结构计算模型；凹凸不规则或楼板局部不连续时，应尽量采用符合楼板平面内实际刚度变化的计算模型，必要时宜计入楼板局部不连续的影响。

建筑结构的分析方法有很多种，包括弹性静力法、动力弹性分析法、静力弹塑性分析法、动力弹塑性分析法等，一般来说建筑结构的变形和内力可按弹性方法计算，框架梁及连梁等构件可考虑塑性变形引起的内力重分布。建筑结构的计算模型应根据结构实际情况确定，所选取的分析模型应能较准确地反映结构中各构件的实际受力状况。建筑结构分析，一般情况下选用的是平面结构空间协同，空间杆系，空间杆－薄壁杆系空间杆－墙板元等计算模型进行整体计算。然而设计中经常将跨高比很小的转换梁，墙体连梁等构件模拟成了空间杆模型，这样会导致计算结果的不合理。因此，对于一些不符合杆系特征的构件在设计中采用有限元法来进行辅助分析，同时由于计算模型无法对一些复杂构件的节点进行真实的模拟，也可采用有限元法来进行节点的分析。

四、结构优化设计在建筑设计中的应用

结构优化设计中，结构概念设计是其中最重要的一条，结构概念设计应渗透到建筑前期方案设计和结构全程设计中。合理地进行建筑物的抗震设计是概念设计的一项重要内容。在建筑设计过程中应该从多方面采取措施来提高其抗震承载能力,例如建筑方案尽量采用合理的建筑形体，避免或减少建筑物的不规则性，结构方案采用合理的结构体系和分析手段，尽量避免刚度和承载力突变。

结语：

在结构优化设计中，首先应参与到建筑师前期的方案设计中，合理确定建筑形体，在确定好建筑形体后，结构设计师应选择合理的结构体系，布置出合理的结构方案，确定合理简化的计算模型、分析方法和抗震性能化设计目标，借助必要的计算软件，优化结构投资方向，使结构设计做到既安全可靠，又经济合理。

参考文献：

[1]．李晶,鹿晓阳,陈世英. 结构优化设计理论与方法研究进展[J]. 工程建设,2007,06:21-31.

[2]．许林. 基于可靠度的结构优化研究[D].大连理工大学,2004.

[3]．《建筑抗震设计规范》（GB5011-2010）