浅谈建筑结构设计优化措施

吴凡

摘 要：现如今随着建筑业的发展，建筑结构设计优化分析，能提高有限的空间、有限的资源，让其最大化的效果发挥，实现了经济化、实用性和适用性的良好目标。满足了建筑产品的品质要求不断提高的目的，实现了人们对于居住条件及生活环境的要求不断提高的需求，同时，这也实现了建筑商不断寻求新的手段来满足顾客的需求，达到降低建筑工程造价成本的目标。

关键词：建筑结构；优化方法；措施

1引言

结构工程师的主要任务就是在特定的建筑空间中用整体的概念来完成结构总体方案的设计，并能有意识地处理构件与结构、结构与结构的关系。初步设计过程是不能借助于计算机来实现的。这就需要结构工程师综合运用其掌握的结构概念，选择效果最好、造价最低的结构方案，为此，需要工程师不断地丰富自己的结构概念，深入、深刻了解各类结构的性能，并能有意识地、灵活地运用它们。

2、建筑结构优化设计的方法

2.1从建筑上分析结构设计优化方法

结构分析是结构设计的重要内容之一，主要是计算出结构在各种作用下的效应。分析结果要求能够解释和评估真实结构在预设作用下的效应。结构分析是否科学合理直接影响到结构的安全性、经济性和实用性。房屋工程分部结构优化设计包括：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。对以上几个方面的优化设计还包括选型、布置、受力分析、造价分析等内容，在实施过程中，还应该按照一切从实际出发的原则，结合具体工程的实际情况，围绕房屋建筑的综合经济效益的目标进行结构优化设计。进行结构设计时，应在满足设计意图后，尽量使平面布置规则，缩小刚度和质量中心的差异，这样水平荷载就不会使建筑物有太大的扭转作用。竖直方向上应避开使用转换层，减少应力集中现象。

2.2计算模型

计算模型的确定是结构分析的核心环节，它包括合理选择计算简图和计算理论，这是结构分析的重点和难点。一般情况下，建立结构分析模型时，都会做一些假定。如：假定结构材料是均质连续的，这种假设对结构的宏观力学性能不会引起显著的误差，只有主要结构构件参与整体性能的效应。

2.3选择适合的结构优化计算方案

结构优化设计是个非线性的优化问题，在设计中涉及到多个变量和多个约束条件，设定好计算方案，通常是将约束条件变为无约束条件来计算。复合型法、拉式乘子法和Powell等方法是常用的计算方法，在完成了相应的计算方案后再进行编程运算即可完成最终的优化设计结果。

3、建筑结构优化设计措施

在建筑结构优化设计中，不同方案和不同建筑材料的选择对工程的造价都会造成不同影响，尤其是在基础类型的选用、开间的确定、层高与层数的确定以及结构形式选择等方面都有着重大关系。

3.1对基础结构的优化设计

基础结构在整个工程工期的1/4左右，并且基础造价也占到总造价的10%-20%，所以基础工程结构的重要性也是显而易见的。而且基础结构工程的造价还与地质条件是密切相关的，设计时对地质勘探报告要求也是极高，选择合理的基础形式、控制好基础的截面尺寸和埋深，能相对减少基础结构在总工程造价中的费用。

3.2选择节能指标较高的结构类型 建筑结构形式的选择，意味着选择不同工程造价的建设模式，常见的结构设计模式有如下三种：（1）剪力墙结构，这种结构形式常见于高层建筑，以混凝土结构技术规程为依托，这种结构形式相对于短肢剪力墙的抗震级别要高，比起短肢剪力墙，构造钢筋使用数量不多。（2）框架结构，具有大开间、布局灵活性强和造价成（3）框架一剪力墙结构，即在框架结构中合理进行一定数量剪力墙的布置，这种结构合理，适用能力强，而且能够应对各种不同的变形压力，是一种抗侧力较好的结构。以上的三种结构模式各具优缺点，但我们在选择结构模式的时候，不能片面认为造价最低的方案就是最科学合理的方案，而是我们要结合房屋业主的功能需求，以及建设单位的投资水平和施工能力等方面的因素进行结构类型的综合分析，将投资与收益进行平衡优化，根据工程条件的客观实际情况选择最为合适的结构模式。

3.3梁的优化设计

在结构设计时通常采用矩形截面梁当做受弯梁，但是这种情况下材料的利用率较低。因为，首先，在靠近中和轴附近的材料的应力较低，再者，梁弯矩会沿梁长变化而变化。由于截面梁大部分区段的应力较低，材料都不能得到很好的利用，要想提高材料的利用率，在设计时可采用平面桁架来代替矩形梁，此时平面桁架就相当于掏空梁，掏去了梁中多余的材料，减轻了其自身的重量，这样既经济又实用，大幅度地提高材料的利用率。

3.4柱网布局和柱子截面的优化设计

柱网布局决定柱子的开间和跨度（纵向或横向相邻的两个柱子的间的距离），柱网的尺寸一般来说在6到12米之间，如果柱距小那么其传力路线就短，上部结构的材料就能节省，但是这可能使基础费用偏高，所以说柱网布局是否合理，对工程的造价有很大的影响。另外，柱子的截面形状和尺寸对工程造价也有着直接的影响，所以合适的柱网布局、柱子截面的形状及尺寸的选择对工程造价的影响是很明显的。

3.5结构构件配筋计算的优化设计

在计算建筑物构件尺寸及配筋的过程中，需要反复调整构件尺寸并进行计算，从中总结出最优化的结构尺寸，使得在一个固定荷载常数下，得到最为经济的计算结果。计算结果应满足两个重要的指标：a、计算结果应首先确保结构的安全性，这是重中之重。b、在满足安全的前提下，使配筋量大致控制在结构计算配筋的范围内，使得构件内的钢筋量切实地发挥其受力作用，而并非作为仅仅起到支架作用的构造配筋量。采用此法设计，可以使得最终钢筋量控制在首次计算结果的80%至90%左右。

3.6结构设计信息优化技术

由于建筑结构受到设计变量等条件的约束，难以用单一的方法进行结构优化。笔者认为，鉴于房屋结构设计的复杂性，应该开发一种较为实用方便的参数定义优化软件，减少设计者在结构优化方面的精力和时间。笔者较为推崇的是TBCAD系统，这种系统是针对结构方案设计、建模、分析、评估等为一體的成本控制软件系统，这种系统可以进行结构方案的指导设计，使得方案的人力、物力和财力资源等趋于最优状态。系统的信息分为两个时间段进行优化，第一个时间段是通过对材料的分配调整，使用最少的混凝土用量满足侧向刚度的要求，系统在这个时间段的目标函数是混凝土的使用量，而结构构件的断面大小则是设计的变量。第二个时间段是对构件强度的优化，通过对构件结构的断面大小以及钢用量的调整，使得构件的强度要求实现只需较少的结构造价。

4结束语：建筑结构设计优化不仅可以提高建筑的功能性、安全性和耐久性，而且还可以在满足人们对各种功能要求的基础上，提升建筑物的美观性和经济性。因此，房屋建筑机构设计人员应该在设计中，充分的应用优化技术，选择合理的建筑结构设计方案，降低建筑工程的成本。

参考文献

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