建筑结构优化设计探析

钱蕾芳

【摘要】随着人类社会的经济、科技、文化的发展，建筑作为人类的基础生活生产资料也是在不断变化的。如今，人类社会进入发展快车道，建筑设计所面临的问题也与日俱增，所要解决的问题也越来越复杂，其正在成为一门跨多学科专业，建筑结构设计的日趋复杂以及风格的多样化发展势必成为未来的发展趋势。

【关键词】结构设计；优化实践；发展

前言： 有人认为 ，优化结构设计只是抽钢筋的问题 ，其实不然。一栋建筑方案产生后 ，结构从选型和布置开始就存在优化与否的问题 ，再加之后续的精心设计、准确计算、合理选用等全过程的优化设计才能产生优化的结构。如果仅是抽钢筋的概念 ，优化是非常有限的 ，因为所有设计依据同样的条件 ，遵循同一本规范 ，计算采用同样的软件 ，结果应该是一样的。随着建筑事业的发展，建筑结构设计水平也相应地不断提高， 但是另一方面，由于技术原因而造成的质量低劣和浪费现象也时有发生，为此本文对近年来在工程实践中的体会和心得，主要是分析建筑的设计优化特点进行阐述，供参考讨论。

一、优化的结构设计技术的实践

目前来看，随着人们环保理念的加强，建设节约型社会的理念的提出，人们对于现代建筑的结构设计有了一个较为清晰的认识，并开始充分的利用结构设计的作用，来实现建筑施工过程中的成本的缩减。而具体的建筑结构落实环节的管理和控制也是非常重要的。

1.参与结构设计优化的前期工作

这样一个方面的强调主要是因为前期工作的进行直接影响到整个建筑工程的总造价，而现如今大多数工程在进行建设的过程当中最为普遍的问题往往也就是其前期方案结构结构设计上的问题。建筑师在进行设计的时候更多关注的是设计本身的问题，而极少关注结构自身的合理性和可行性，这就使得建筑结构在进行建設的过程当中面临着较多方面的问题，更多的是会引起工程造价的提高，这就与我们进行优化设计本身的目的有所违背。正是因为这样，我们有必要在进行建设之前针对于不同的建筑类别来对结构形式进行选择，为整个工作的开展和进行提供良好的开端。所以，前期准备工作对于建筑结构设计的实施有着非常重要的意义，这种情况下，有关部门和工作人员必须要加强对现有的建筑结构设计的方案形成阶段的管理，确保方案的科学性和合理性。

2.将概念设计和细部结构设计进行优化

所谓概念设计实际上也就是指一些没有具体的数值来进行量化的指标，包括地震作用以及其本身的不确定性等。因此在进行设计计算的时候难免会和现实产生较大的差别，正是在这样的背景下我们才需要在对这样一种指标进行设计和确定时选择使用概念设计的方法，将数值仅仅只是作为辅助或者是参考的依据来进行。在这样一种设计的过程当中更为强调的就是设计人员本身的灵活性以及应用结构设计优化方法的能力，这样良好的结合才能够真正实现效果上的最优化。因为细节是构成整体的单位，所以对各种设计细节的严格管理，也就可以实现整体的功能的有效发挥。因此，在建筑结构设计的实践过程中，应该重视对建筑细节的处理。设计人员在注重整体设计的同时，还要加强对结构基本构件的精细设计。如尽量划分矩形板块的现浇板设计，增强现浇板的受力性能和避免出现拐角裂缝。

3、材料利用优化

建筑结构优化设计主要是为了使建筑工程达到“低成本、高收益”的效果，即尽可能减少较少的资金，建立舒适、安全的建筑。而材料作为建筑结构设计的重要组成部分，其合理利用对建筑结构优化起着至关重要的作用。因此要求设计人员依据建筑结构构件受力情况、环境等特点，选择适宜的材料。

二.建筑结构优化设计的发展

随着计算机技术、智能技术的日益发展，结构优化理论应用在建筑结构设计工程方面应用越来越广泛，其发展主要体现在以下几个方面：

1. 建筑结构优化设计向自动化方向发展。随着计算机辅助设计CAD技术的发展，建筑结构优化设计的自动化程度越来越高。同时CAD的图形功能可以更直观、快速、自动地表达优化设计的结果，因而形成高集成化程度的自动化结构设计系统。

2. 建筑结构优化设计向智能化方向发展。智能优化是指将计算智能引入结构优化设计的过程中，求得一种具有自组织、自适应、自学习等功能的优化算法。这种算法更适合于解决建筑结构优化设计中经验性问题和非公式化问题。这种优化算法有利于具有智能辅助决策功能的专家系统的建设。

三、建筑结构设计中应注意的相关问题

1、底部抗震墙框架结构

1.1底部抗震墙应双向布置，应注意纵向抗震墙不要偏少。

1.2上部抗震墙与底部框架、抗震墙应对齐或基本对齐。“基本对齐”要求：（对于7度设防区）每结构单元不宜多于一道或每三道抗震墙不多于一道与下部框架、抗震墙不对齐，尽量减少次梁托换的数量，减少传力途径。

1.3托墙梁支座处应设柱，对于支承于抗震墙的托墙梁支座应采取加强措施。

2、关于箱、筏基础底板的挑板问题

从结构角度来讲，如果能出挑板，能调匀边跨底板钢筋，特别是当底板钢筋通长布置时，不会因边跨钢筋而加大整个底板的通长筋，较节约；出挑板后，能降低基底附加应力，当基础形式处在天然地基和其他人工地基的坎上时，加挑板就可能采用天然地基；能降低整体沉降，当荷载偏心时，在特定部位设挑板，还可调整沉降差和整体倾斜；窗井部位可以认为是挑板上砌墙，不宜再出长挑板。虽然在计算时此处板并不应按挑板计算。当然此问题并不绝对，当有数层地下室，窗井横隔墙较密，且横隔墙能与内部墙体连通时，可灵活考虑；当地下水位很高，出基础挑板，有利于解决抗浮问题；从建筑角度讲，取消挑板，可方便柔性防水做法。

3、建筑结构设计与暖通专业设计的协调

高层建筑空调设备（风道、冷热水管、空调箱、空调机组等）通常与电梯、电梯厅、楼梯、电气间、卫生间集中布置在核心区，构成维持整个高层建筑活动机能的关键部分。在竖向布置上又与给排水、电气等集中布置在设备层。结构设计时应充分注意核心区及设备层的特点：

3.1楼面负荷大，在内力分析及楼板设计时应考虑。

3.2预埋管道附件多，注意局部荷载超过设计荷载。

3.3设备层层高不同于标准层层高，而且应力集中，是抗震薄弱环节，要考虑抗震加固措施。

各构件之间的协同工作对协同工作的理解，还在于当结构受力时，结构中的各个构件能同时达到较高的应力水平。在多高层结构设计时，应尽可能避免短柱，其主要的目的是使同层各柱在相同的水平位移时，能同时达到最大承载能力，但随着建筑物的高度与层数的加大，巨大的竖向和水平荷载使底层柱截面越来越大，从而造成高层建筑的底部数层出现大量短柱，为了避免这种现象的出现，对于大截面柱，可以通过对柱截面开竖槽，使矩形柱成为田形柱，从而增大长细比，避免短柱的出现，这样就能使同层的抗侧力结构在相近的水平位移下，达到最大的水平承载力。

四、结束语

总之，结构设计是个系统、全面的工作，需要扎实的理论知识功底，灵活创新的思维和严肃认真负责的工作态度。千里之行，始于足下。设计人员要从一个个基本的构件算起，做到知其所以然，深刻理解规范和规程的含义，并密切配合其它专业来进行设计，在工作中应事无巨细，善于反思和总结工作中的经验和教训。

参考文献：

[1] 熊开安，程志勇著.《建筑结构》[M].广州：华南理工大学出版社.2011（07）

[2] 刘昭如，庄艳著.《建筑结构与力学基础》[M].上海：上海交通大学出版社.2011（09）