建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用研究

张明

【摘 要】建筑行业作为我国国民经济发展中非常重要的行业之一，一直以来都受到了党和国家的密切关注，其质量的好坏和设计的美观程度直接影响到国民生活质量的优劣。设计优美的建筑物能给人们带来赏心悦目的感觉，使人身心愉快，但是美观并不是设计师们们追求的唯一性，合理的布局和安全实用也是其长久以来追求的目标，进而打造更加合理舒适的经济适用房。本文就主要对建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用进行了简要分析。

【关键词】建筑工程；结构设计；优化

引言

随着我国建筑市场的日趋激烈，建筑单位要想在激烈的市场竞争中获得更多的优势除了加强建筑结构质量以外还要不断提高建筑结构的优化水平。一般，对于房屋的建筑来说结构的投入要占整体建筑施工的大部分比例，以此，不断提高房屋的设计优化是使资金优化配置，使企业获取更多利润的关键。

一、建筑结构优化在房屋建筑中的重要作用

根据我国现阶段经济发展趋势以及建筑房屋多元化的发展趋势，现在很多的建筑房屋都为高层结构有的地区还有很多的超高层建筑结构。因为这种特殊的建筑构造，为了使建筑单位的资金得以有效利用，不断减少建筑成本就要对房屋的建筑結构设计进行优化，同时这也是建筑企业以及投资人员最为关注的问题。

要想使房屋的结构得以优化，施工人员一定要重视对建筑物的质量监管力度，并要将保障建筑质量安全作为施工的前提与基础，对于设计方案中的各个细节要进行详细的分析和优化，施工单位还要不断的对建筑的整体结构通过采用较为先进的设计理念与技术使整体的设计得以优化，以实现控制工程造价的目的。从相关的数据反映情况来看，与没有经过设计优化的建筑相比较而言，对房屋结构进行设计优化之后，经费可以大大缩减。但是，在实际的操作过程中，因为被多方面的条件限制住了，进行优化的各项方法就难以开展，需面临非常多的困难，而且也无法将其优越性充分地发挥出来。

在进行房屋建筑结构设计的优化过程中，要使开展施工的各项建筑材料以及施工的设备的功能和性能得以充分地发挥，而在开展这项工作中，与建筑结构的设计相比，则更加具有独特的优势，此外，在进行了建筑的设计优化以后，建筑单位的施工造价也能实现有效地降低，因此，就会使企业获取到更多的经济效益。此外，在进行了优化建筑结构的设计之后，还能使房屋结构中各个单元实现的有机整合，使建筑的整体质量得以提升，对人们的居住安全给予了重要保障。因此，要想对房屋结构具有更强的适用性与更好的经济性，优化房屋的结构设计，是一条行之有效且非常重要的途径。

二、建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的实际应用

将建筑结构优化设计方法应用于房屋结构设计中，不仅能够降低工程投入成本，同样可以做到使房屋结构设计达到最优配置，体现巨大的经济效益与社会效应。通常来说，建筑结构设计优化方法一般应用于房屋结构设计的前期设计环节、结构内部抗震设计、旧房屋的整体改造等方面。

1、前期设计环节

房屋结构的前期设计环节是影响房屋经济性设计的重要方面，它会对项目的总投资资金造成影响。当前，在房屋设计方面存在的普遍的问题便是在前期环节并没有将建筑结构优化设计的方法应用其中，在设计前期并没有考虑到结构设计的科学性与合理性，甚至部分情况下，会对房屋结构设计造成负面影响。因此，必须在前期设计环节将建筑结构优化设计方法应用其中，选择较为合理、可行的结构形式，策划合理的设计方案，在设计初始时期保障设计的合理性，为整体设计创造较好的开端。

2、概念设计优化

房屋结构设计优化的方法多种多样，每一种方法有其适用性，要根据不同的建筑设计效果和建筑环境来决定。在选择合理的优化方案过程中要对房屋建筑工程的实际情况进行了解和分析，保证优化方式的适用性和经济性。概念设计是结构优化中常用到的一种方法，可以通过设计人员的经验来选择灵活的设计方案。对于已经确定结构布置的房屋，会在考虑相同荷载作用的情况下选择不同的分析方法。房屋建筑的设计选用的设计参数指标、选择用的建筑材料和荷载标准值得去法等都有很大的不确定性，在实际工程过程中，会出现与现实不符合的情况。这些因素的影响性可以通过设计人员来判定。经验丰富的房屋建筑设计人员，可以根据自身的经验和以往的数据作为参考，对房屋建筑的情况进行全面综合的考虑，然后做出合理正确的判断。房屋建筑结构中概念优化设计的关键点是设计人员的理论知识和实践知识，理论知识和实践知识越丰富的设计人员越能够实现对房屋结构的优化设计。房屋概念优化设计的关键在于设计人员的经验积累，经验越丰富的设计人员，就越能实现房屋建筑结构的优化设计。

3、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。例如剪力墙结构体系：整个过程最先一步就应当合理地布置剪力墙，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，从而减小地震作用或者风力等对其的破坏。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，剪力墙里的暗柱是对墙身局部部位的钢筋构造加强，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，就不得采用过大的剪力墙。

4、抗震概念设计

在房屋结构设计中，建筑结构设计优化方法主要应用于无具体数据参数指标的抗震设计情况。将抗震设防烈度作为设计案例，正是由于其发生具有较大的不确定性，实际计算情况通常会与预定设计情况产生差异，因此需要采取结构优化设计中的概念设计方案。将以往的数据作为辅助考察依据，在具体设计过程中，将建筑结构优化设计方法灵活运用于设计中，以期达到最佳设计值。另外，在保障宏观设计满足要求的同时还需要注重结构细节的设计。将房屋结构设计细节中现浇板的选用作为具体设计要求，若其异形板在拐角末端较易产生断裂情况，设计时则需要考虑钢筋选择的范围，在投入成本相当的情况下，选用极限拉力较强、能够满足塑性要求的钢筋材料。例如：若现行规划的现浇板所选用的材质是在受力方面有较强功能的，此时为保障塑性要求，则可选择冷轧带肋式的钢筋材料。保障在内部结构设计时，现浇板外部里面的配置钢筋材料能够满足结构优化的具体条件，不仅能够为建筑安全设计提供保障，同样也可以达到经济性控制的目的。

5、下部地基基础优化设计

地基基础的优化设计不仅可提高整个建筑的稳定性，还可能直接影响整个工程的总造价。因此，在建筑设计中要根据上部建筑的结构体系及建筑场地的关系，选择科学合理的方案。若场地条件满足天然基础要求，往往首选天然基础，因为造价要相对低一些。若要选择桩基，需根据现场地质条件、水文环境以及施工条件选择合适的桩基类型，最大限度地降低工程造价和投资。因为在实际施工过程中，桩端持力层深度决定着桩长及基础施工工期。所以要对方案进行比较，尽量做到科学合理，经济可行。在遇到有溶洞的建筑场地时，应探明溶洞分布情况、大小及溶洞深度，根据溶洞上部土层情况选择方案。若溶洞比较稳定，且溶洞上部土层可以作为基础持力层，应选上部土层作为基础持力层，尽量避开处理溶洞。有时还要比较溶洞处理和减少上部建筑重量对投资的影响，两者需要择优选择。

6、结构同排水的协调优化

因为建筑中的给排水专用房间包含了大量的机械设备，其荷载强度也较普通的房屋较大，应尽可能将水泵房设置在地下室区域中。给排水房间中的管道较多，粗细不一，应保证预留的孔径尺寸及预埋的深度符合标准，并且对楼板的穿孔位置进行加固。另外，尽可能降低水平方向的管线贯穿柱、梁等结构出现的几率，如果管道贯穿房屋建筑的承重墙，应进行加固处理，尽可能确保结构的布设同管网体系相协调，预防管道绕柱或梁的情况。

7、结构同电气的协调优化

如果电气的管线是以导线的形式在金属管的外部或墙体、楼板处安装，那么，就可能对结构的施工造成困难。如果管线贯穿建筑梁，则应在梁施工时事先留下孔洞，同时确保梁的宽度同墙体的厚度相同。如果不能相同，则要保证墙体的一侧平面同梁的侧平面相齐，从而保证管线不裸漏在墙体外面。房屋建筑中，电梯房包含很多的空洞，所预埋的构件也较多，所以，应单独对电梯房的强度进行计算，从而保证设计合理，确保施工质量安全。

三、建筑结构设计优化方法在实际应用中的注意事项

1、选择合理的结构优化模型

根据当下的科学技术水平，我们大致可以将房屋结构优化分为以下三个步骤来进行。第一，选择一个符合建筑实际情况的、合理的设计变量。所谓的设计变量，就是设计师在进行设计的过程中将一些对于设计局部情况产生非常重大影响的参数。这些参数的变化会直接影响到建筑结构的整体情况，现阶段比较常见的设计变量有约束控制参数和目标控制参数这两大类型。在不改变设计整体运行的情况下，在一定范围内改变设计参数，从而进行局部调整，能够很好的保证建筑整体情况的有效运行，减少不必要的经济损失。第二，根据实际情况，确定目标函数。根据建筑施工的实际情况，寻找满足预定条件的集合剖面作为计算样本，进行目标函数的计算，得出确定的数值，作为既定的目标函数。第三，确定约束条件。设计师在进行设计的过程中，不能天马行空的进行设计，应该在满足一定结构强度和尺寸标准的情况下进行，保证极限情况下弹性约束也能正常运行，保证施工的安全性和工期的顺利进行。以上三个步骤的房屋结构优化的进行，能够使房屋设计和建筑有效进行，保证工期的顺利进行。

2、优化选择结构方案

主要包括：做好抗震概念设计，充分考虑整体结构和构件的最佳受力状态，使建筑具备足够的抗震承载力；优选平面和竖向布置规则的结构方案，尽量实现扭转效应最小化，保证建筑物的安全性；优选受力与传力途径简单、直接的结构方案，避免因多级、多次转换结构构件而提高工程造价，预留安全隐患。

3、选择节能指标较高的结构设计类型

将建筑结构设计方案应用于房屋结构设计中主要是为了在降低工程造价的基础上，提升房屋建成后的整体效益。因此，需要选择节能指标较高的结构设计类型。常规设计中主要有三种房屋结构形式，分别为短肢剪力墙结构、框架结构及框架与剪力墙融合的结构模型。第一种结构设计的抗震性能较高，且并不需要较多材料的选用，第二中结构设计由于其柱截面较大会影响房屋内部家具的布置，而第三种结构综合适应能力较强，抗震效果好，且抗测力效果较为明显。三种结构类型均有其自身存在的优缺点，在选择最优设计方案时同时需要从房屋实际需求出发，将造价与后期效益均纳入考虑的范畴，据实际情况选择最佳设计方案。

4、确保结构优化计算的准确性

认真核对输入的构件尺寸、几何图形、荷载数据等，保证各项数据输入无误；根据建筑结构的实际情况正确选取计算参数，确定合理的计算程序；根据建筑结构的实际情况确定结构的约束关系，运用工程经验和结构概念分析计算结果的合理性。

5、优化选择结构材料

根据建筑环境、结构构件受力特点以及相关材料的力学性能，优化选择结构材料，保证结构材料得以充分利用，避免造成材料浪费。如，建筑工程中经常出现钢筋混凝土现浇板中混凝土标号过高的问题，不仅提高了工程造价，而且还难以发挥高标号混凝土的强度作用。

6、正确理解规范设计

在建筑结构设计中，要正确理解和应用规范，掌握规范中的概念定义、前提条件、适用范围，严格执行规范中的强制性条文。同时，结构工程师还要根据设计对象的实际环境和使用条件，結合自己的实践经验，以实现建筑结构设计经济性和安全性为目标，合理选用规范中非强制性条文的数据。

结束语

总之，建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的实际应用具有重要的意义，是使房屋实现新的价值的重要手段。突破以往简单的安全、经济特点，变得更加的美观、适用并且易于施工，不仅给购房者带来了巨大的利益，还给房屋建造商带来了较大的经济效益，可谓是一举两得。建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用还处于一个摸索的阶段，需要广大的设计者和建造者不断地探索，使优化方法得以优化，使其应用能够取得更大的经济效益。

参考文献：

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[3]黄海涛，黄慎江.结构设计中概念设计方法应用的探讨[J].工程与建设，2010，（04）.