浅析建筑结构的优化设计

秦 超

（南京工业大学建筑设计研究院）

浅析建筑结构的优化设计

秦 超

（南京工业大学建筑设计研究院）

在我国，各类建筑随着时代经济的飞速发展不断涌出，但相应的各类建筑出现的问题近些年也频频进入人们的视野，我国建筑行业的发展走向也受之影响，如何合理的优化设计建筑结构，而且要求建筑科学安全，经济实用，是目前的重大问题。本文从优化设计方法及优化结构问题两个方面针对高层建筑进行了探讨研究。

建筑分析 工程结构 优化设计

随着我国经济的飞速增长，各类高层建筑如笋出土般出现在我国大多数城市中。社会发展、各行各业发展不同的需求，导致高层建筑结构变得多样化，其最直观的一点就是层数的不断上升，由十层以内增加到三、四十层不等，甚至更高，其外观等方面要求也变得相对严格，这使得其结构也逐渐趋向复杂化，这导致成本控制变得愈加复杂，各类成本的取舍变得难以抉择，结构设计也必然变得严谨，怎样优化设计工程结构，既经济实用又安全美观，是我国建筑技术能否快速发展所面对的重大问题。结构优化设计是在满足规范要求、保证结构安全和建筑产品品质的前提下，通过合理的结构布置、科学的计算论证、适度的构造措施，充分发挥材料性能、合理节约造价的设计方法。结构优化设计在当前竞争日益激烈的建筑设计市场成为大势所趋。下面就开始简单的分析建筑结构如何优化设计。

一、建筑工程结构优化设计方法

1.1 、工程结构优化设计目标分析法

工程结构优化设计目标分析法是将待优化的工程结构设计作为准确目标，针对影响目标设计的不同因素进行分析，并对这些分析所得结果进行规律整合，依据此规律来对结构设计进行优化，达到实现优化的最佳效果，进而使工程整体结构最优化。这种方法的特点就是抓住工程结构优化目标，分析工程结构问题关键所在，极具针对性，最终能达到建筑结构整体最优化的目的，通常能有效的解决相关问题。具体表现为结构体系与布置的优化，比如应根据建筑布置、高度和使用功能要求选择经济合理的结构体系；选择比较规则的平面方案和立面方案；选择合理、均匀的柱网尺寸，使板、梁、柱、墙的受力合理等。这些都是从宏观上整体上的优化。

1.2 、工程结构优化设计问题分解法

通常工程结构出现或大或小的问题，其中大问题一般不易处理，而如果将工程结构设计的优化问题分解成相对较小的次问题，如框架梁、柱、基础等问题，分步处理，这样条理更加清晰，也可靠易解决的多。优化过程分成两步处理，第一步就是对各个小问题进行优化处理。根据不同类型的结构如梁、柱、基础等问题的特征，针对这些问题分别采用不同的处理方法。第二步就是对这些小问题构成的大问题进行优化处理，对小问题的优化方法进行针对调整，重复几次，这样就能得到最有效的处理方法。这种方法的优化过程具有不错的针对性，严谨性，且能提高效率。具体表现为材料的优化、荷载的优化、设计参数的优化等，这些优化是从微观的、局部的角度出发的。

二、分析并优化建筑结构设计

2.1 、优化设计钢筋混凝土框架结构

目前通常采用准则法进行优化设计钢筋混凝土框架结构。开始依据以往经验设计建筑结构的初始截面，采用有限元法对各种情况下的建筑结构整体进行内力分析；接着将结构拆分成单独的梁，柱等构件，根据不同的受力情况，进行分步优化。但是，需要根据不同的实际情况，采用相应的方法进行优化设计钢筋混凝土框架结构。

此外，根据对抗震等级不同要求的框架，我们需要适当增加箍筋直径或者加密箍筋与框架梁的间距。通常情况下，工程习惯常取加密区的箍筋与框架梁的最小间距是100mm，非加密区两者的最大间距为200mm，并以此为依据计算出加密区的截面面积，再根据相应规定来确定箍筋直径和肢数。但是，在设计非加密区柱梁的配筋时得考虑相应的实际情况。

2.2、 优化基础设计

基础造价占结构造价比重最大，基础的节省将对整个工程造价的降低起决定性的作用。基础设计的关键是合理选择基础形式。一般的，低层住宅优先考虑浅埋天然基础，多层住宅优先考虑沉降控制复合基础，对于深埋独立地下室，可考虑采用补偿式基础。

设置地下室时，对地下室的埋深、抗浮水位、桩型、底板顶板结构形式、侧墙设计、基坑围护等内容应进行充分比较和科学验证，尽可能用科学合理的方法节省造价。地下车库顶板常用结构型式有大跨梁板、十字梁、井字梁、柱帽无梁楼盖、预应力有／无梁楼盖、空心楼盖等几种；底板常用结构型式有“承台+底板”、“承台+地梁+底板”等几种。应根据建筑、荷载和场地条件进行多方案技术经济性比较后再选择最合理的方案。

2.3、 优化框-剪结构的剪力墙

除了建筑强度以外，建筑的变形适应能力是影响高层建筑地震时安全问题的另一大因素。而如何控制好建筑结构的适应刚度以及侧向位移是我们面对优化建筑结构抗震设计的两大难题。如果剪力墙的刚度较大时，导致房屋的自振周期减小，造成了地震载荷也随之增大；但如果剪力墙刚度较小时，就达不到抵抗地震载荷的意义。因此如何合理地选择剪力墙的刚度，使得它具有最小的抗侧向位移刚度，是我们必须解决的。通常，剪力墙的布置宜规则、均匀、对称，以控制结构扭转变形。在满足规范和计算的前提下应尽量减少墙的数量，限制墙肢长度，控制连梁刚度，剪力墙能落地的就全部落地不做框支转换层，平面能布置成大开问的尽量布置成大开间，墙体的厚度满足构造要求和轴压比的要求即可。连梁刚度太大时可通过梁中开水平缝变成双梁、增大跨高比等措施降低连梁刚度。尽量少用短肢剪力墙，限制“一”字墙，少做转换。

2.4 、优化框-筒结构的尺寸

框-筒结构是当前大多数高层建筑采用的一种结构方式，其优点是平面设置比较规则，建筑空间较大，抗侧向位移强度较高。根据资料以及相应实验表明，风载荷是非地震区域和沿海区域高层建筑主要承受的侧向载荷，而在框-筒结构中，筒体大约承载了7/10的风载荷，其主要目的就是承载水平侧向力。一般来说，风载荷与建筑层的高度息息相关，是随高度变化而相应变化的，但在实际运用中，通常选择将建筑物的高度分成若干个点来计算风载荷，按照不同的规格要求及建立数据模型，构建最佳的筒体高度和厚度，从而实现风载荷作用下的尺寸最大优化。

2.5 、优化结构计算中的重要参数

建筑结构的计算要求十分严谨，一个小的错误就有可能导致整个建筑的安全抗震性出现隐患，这就要求所有的计算结果需要得到分析，并且判断其结果的合理性，确认有效才可应用于工程设计。结构的自振周期、楼层抗震剪力系数、弹性侧向位移、柱底内力设计值等等重要参数都需要经过计算机计算得出。为了分析这些重要参数的合理可靠性，除了正确的结构计算图、合理的结构方案、正确填写相关信息等等，如何合理选取计算机计算得出的信息中的各项参数也是十分重要的。这就要求我们设计人员深刻理解规范条文的要求，明确结构的受力情况，这样得出的相应参数，才能有效合理应用于工程设计，保障了建筑本身的安全性。

三、总结

随着我国各项经济的飞速增长，在大中小城市中，各类高层建筑的需求也必随之增大，满足需求形式、建筑材料、以及力学数字分析模型等等要求更加复杂多样化，这就要求对建筑结构设计进行合理的优化，这样做有利于实现建筑设计安全可靠，科学合理，经济实用的性能需求。

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1007-6344（2015）11-0151-01