建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用研究

范国兴

(延安大学西安创新学院，陕西西安 710100)

社会经济的发展，时代的进步，使建筑市场领域的竞争变得异常激烈。市场的激烈给企业以巨大的压力，为了能在激烈的市场竞争中拔得头筹，为了能使业主得到性能较好、安全性高、外观美观的房屋建筑，各企业必须对施工以及设计方面进行相应地深入性研究。在房屋建筑领域，结构上的投入是整体投入中较多的部分，所占比重相对较高。不断地对结构设计进行优化可以使房屋质量安全得以保证，还能减少相应项目资金的投入，进而增加企业的经济收入与相关收益。以下将对建筑结构设计相关的优化方式及其在房屋结构设计的具体应用进行系统性阐述，以供相关人士进行参考。

一 建筑结构设计的优化方式的理论体现

在进行建筑结构设计时，我们不仅需要考虑其安全性、可靠性以及基本功能的健全性，还要考虑建筑本身的美感与艺术感，这就是结构设计优化的相应体现。从理论上对建筑结构设计的相关优化方式进行分析，我们可知，建筑结构的的设计优化方式在现实应用中，主要体现在房屋工程总体的优化还有房屋工程分层结构的优化上。

对于建筑结构的整体设计，我们需要尽量减少质量中心和建筑刚度中心的相关性差异，而且建筑整体的平面结构要保持对称性和规则性，但是这些结构设计的理念要基本上满足建筑设计师的设计要求。在满足建筑物本身的功能下，在垂直方向的设计要尽量让同方向的相应承重构件达到上下相通;而且为了降低在结构设计上的难度，要尽量减少转换层结构的使用。在垂直方向的设计上还得充分考虑刚度的相关要求，刚度的变化要保持简便性而不是突变性，否则一旦出现刚度的突变会严重影响建筑结构在抵抗水平方向上的动力载荷作用。

二 房屋建筑领域结构设计优化方式的重要性

我国的发展现状表明，房屋建筑在以后的日子里将会以高层或是超高层为主。如何减少资金的投入而且还得保证结构的设计符合百姓的要求成为相关人士以及建筑企业重视的事情。

如果相关企业要想对房屋建筑的结构设计进行优化，设计方应该在保证质量合格的前提下，对设计方案进行系统化分析，应用先进的技术理念与设计观念对工程建筑进行总体的管理，从而合理地控制建筑工程的造价问题。事实表明，如果设计者能将施工的技术与经济效益做到紧密相连，规划出科学的设计方案，就可以保证建筑企业获得最大的经济收益。

因此，对建筑结构设计的科学优化能够更加全面地发挥机械设备以及建筑材料的性能，与以往的设计相比较会更具有优势。而且进行合理优化时能够降低相应的造价投入，为企业的整体获取更大化的利益。同时对结构进行优化还能将房屋结构的层次进行系统性的结合，加强房屋质量的提高，更大程度地保证居民的居住安全。由此看来，对建筑结构进行相应的优化是提高居民居住安全、为企业创造最大利益的重要方式之一。

三 结构设计优化方式在现实建筑领域的实际意义

作为相关人士，我们要了解对建筑结构的科学性优化对房屋结构设计是具有十分重要意义的。这样不仅能够增强建筑的实用性与美观感，而且还能最大化地控制建筑工程的总体造价。每一位建筑商都希望用最少的价钱获得最大的收益，而且还希望能够保证建筑结构的安全与可靠性，这就必然要求对建筑结构进行科学性优化。

谈及现实意义就需要与传统进行对比，将建筑结构进行优化设计能够有效地减少工程的整体造价，能将整体内部结构每个层次都达到科学化的平衡，并且能够将建筑的材料进行最合理的、最高效化的利用。从现实角度能够保证建筑的相关安全性，还能达到对建筑结构整体设计的经济性和实用性。

四 建筑结构优化方式在房屋建设应用上的具体步骤

1.创建建筑结构的优化模型。

(1)合理化、科学化选择设计的变量。

在选择相应的变量的时候，我们主要是将影响建筑本身结构的主要参数作为变量。例如严格控制目标的相关参数值(建筑损失的期望值c2、建筑结构造价值c1)、建筑约束控制的相关参数值(建筑结构的相对可靠度ps)等。对于一些影响并不是太大的、变化范围很小或者由局部性相关要素就能满足设计要求的一部分参数，我们一般是通过预定式参数进行表示，这样一来就能减少我们相应的设计数量与计算数量，还可以相应的减少编程的工作量，进而提升工作效率。

(2)确定相应的目标函数。

对建筑结构进行优化设计时，必须找到一组符合预定条件的相应尺寸的钢筋截面面积，以及已经失效的概率函数，这样能使建筑工程的整体造价达到最少。

(3)科学化的确定约束条件。

对于结构的优化设计，我们要保证结构整体的可靠性，科学化地确定与优化设计方面息息相关的约束条件。而约束条件主要指的是建筑裂缝的宽度约束、建筑本身的强度约束、尺寸大小的约束、构件的相关约束、结构体系相关约束等约束条件。在设计结构之时，要对目标性质的约束条件与实际性质的约束条件进行科学化的比较与分析，要保证每一个相关的约束条件都满足整个建筑工程的要求，实现效果最佳化的设计。

2.科学设定优化设计的相关方案。

依据可靠度而开始进行房屋结构设计的优化通常都具有很多约束条件，有时会遇到非线性的相关优化问题。所以在相应的计算中，会进行相应的转换，将有约束的优化转化成无约束的优化，而相关的计算、方式有拉式乘子法、powell法等。

3.设计相关应用程序。

依据可靠度而开始进行房屋结构设计的优化基本模型，以及在设计时运用的相应的计算方式，为了可以更好地实现其效果，能够将这些编纂成一个运算速度较快而且功能全面的综合性、科学性的应用程序。这样能使整个优化设计更加全面地、有效率地进行实施。

4.综合结果分析。

在得出一定的计算结果之后要对其进行一个必要性的分析和比较，然后再折中选择一个效果最佳的设计方案。在分析的过程中，我们务必要全面考虑相关的问题，而且对相应的问题要多角度分析。这一步在整个建筑结构优化设计中是至关重要的，选择一个合理的设计方案能够保证房屋建筑整体的美观感、安全性以及实用合理性，同时还能影响工程整体施工的资金投入。进行建筑结构的相关优化，我们要确定一点，不能只强调相应的经济节约而忽略对建筑技术的要求;同样也不能仅仅强调技术的要求而忽略经济节约的要求，单一的考虑永远是不正确的，而且都是对建筑整体影响较为巨大的。所以，在进行分析时，要同时考虑二者的科学化配置，只有这样才能达到预期的目标。

五 在房屋建筑领域，结构设计优化方式的具体应用

1.房屋建筑的整体性与局部性优化。

建筑在设计上都具备着相应的层次性和复杂性的特点。从层次性角度讲，包含着建筑的整体设计体系、结构相关体系、安装体系等，每一个单独的体系又包含了众多的下属体系。在对房屋进行设计时，设计者要对每一个下属系统地进行相应的优化，冲破关联的横向性，实现叠加型工程;对于复杂性来讲，主要包含选取建筑的材料、选取建筑的零部件等。因此在进行结构优化时要从整体入手，才能真正实现整体的设计优化。

2.建筑寿命优化与阶段性优化。

在工程的使用年限内，对每一阶段都要进行相应的方案优化。房屋的设计者要考察各个阶段的特点，根据实际结果进行优化方式的确定，从而可以对工程的整体寿命进行科学的优化。这样，既保证了建筑质量，又提高了建筑企业的经济效益。

3.桩基础的具体优化。

建筑中的桩基础能够分为灌注桩和预制桩。灌注桩在整体施工时的质量较为难控制，而且操作的技巧复杂，时间还较长。因此在沉降符合标准的前提下，要加入预制桩的施工，从而减少相应的工序。而且要注意，在伴随着桩基不断加深，土壤本身对装机的摩擦逐渐增大，务必要选择较长的预制桩。

4.对建筑主体上部结构进行的科学性优化。

房屋建筑的上部结构设计应当建立相应的模型并进行系统的优化。整个过程最先一步就应当合理地设置剪力墙，保证剪力墙整体的质量是均匀的，这样能将楼层中平面刚度的中心点重合于楼层整体的结构重心，从而减少地震或者风力等对其的破坏性。在房屋建设时，如果条件允许，要尽可能地对剪力墙进行大开间的构造，加长剪力墙的墙肢长度，这样就能减少墙肢的数量，还能在符合标准的基础上减少混凝土的使用。另外，剪力墙里的暗柱是拿一般性钢材铸造而成，如果采用较大的剪力墙就可以减少相对的钢筋使用数量，减少相应的成本。然而如果建筑的本身不具有相应的条件，而且对于抗震抗压的要求较高，就不得构造过大的剪力墙。

5.结构优化与建筑优化保持协调。

对于结构的设计要保证建筑的整体结构与整体平面紧密配合，这样能实现建筑本身的美观与结构的相应合理性的效果。对于建筑系统来讲要保证简洁，墙体与支柱不能有错位的现象，高度要与截面的面积相通。在楼体设计时，自身受力较多的转角区域，要选择高强建材做为承重的材料，从而能够更好地降低自重。对于整体来讲要保证重心、刚心、质心三者正确交叠，防止扭转的状况出现。

6.结构优化与排水系统优化保持协调。

在房屋建筑中排水系统的专用房间里有着很多的机械设备，对于荷载能力、荷载强度较大。所以要将其设置在地下室，而且保证管道的预留尺寸与预留深度要符合相应标准，对于楼板本身的钻孔位置要加固。另外，要注意水平方向的管线可能会贯穿柱或梁的情况，要尽可能降低这种现象发生的机率。如果管道在建设时穿过了承重墙，就必须对墙体进行加固。在整体上尽可能地保证结构的设置与管道网相协调，预防管道出现绕柱或绕梁的现象。

7.结构优化与电气优化保持协调。

电气管线的安装是以导线的形式装在金属管体的外部或者墙体、楼板的地方。这样安装有可能给预制的结构施工造成相对的困难。所以要注意，如果想要管线穿过梁体，要提前在梁体上预留相应的孔洞，并且要保证梁体的宽度与相应的墙体的宽度相同。如果出现不相同的情况，就必须让墙体的一面与梁体的一面相齐，保证管线不得漏在墙体的表面。在整个房屋的建筑上，电梯部分肯定会有很多的空洞，埋下的建筑构件较多，这样就要求设计者应该单独对电梯部分的建筑进行分析与计算，保证设计的合理性与安全性，确保施工的质量是过关的。

通过对房屋结构中的结构设计优化方式的讨论，我们可以知道，科学地对建筑整体的结构进行设计与优化能够切实保证建筑本身的功能，而且能够控制和管理工程整体的资金投入。建筑方与开发商在结构设计上不得过分注重经济效益。靠着缩减建筑材料的使用、降低建筑质量的标注、削弱建筑技术能力等方法减少资金的投入，使建筑的质量或者其他方面达不到相关标准，这一点是必须值得注意的。对房屋结构的设计进行优化有着最基本的目的，就是保证建筑本身的功能，提高建筑主体的质量，提升建筑的环保能力，增加建筑企业的经济收益。如果要想达到这样的一个目标，就需要房屋建筑的设计者积极提高自我的知识水平，要在原有的基础上开拓创新，主动为人民居住的房屋提供安全性的保障。因此，笔者认为建筑结构的优化方式在整个房屋的结构设计中的应用是有着非常重要的地位的，是值得每个设计者深思的。

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