房屋建筑结构设计中优化技术应用探讨

梁 雯

（桂林市耀辉投资发展有限公司 广西 桂林 541004）

房屋建筑结构设计中优化技术应用探讨

梁 雯

（桂林市耀辉投资发展有限公司 广西 桂林 541004）

由于受到社会经济持续发展的影响，致使人们对生活条件及居住环境的要求不断提升，要求房屋的结构不但要具有较强的功能性、安全性、耐久性，还必须具有一定的美观性及经济性。建筑结构设计在房屋建筑中属于一项比较重要的工作，且结构设计好与坏直接关系到后期建筑物的整体质量。因此，对建筑物的结构进行设计时一定要根据相关的标准严格进行优化设计，进而才可以使房屋建筑的功能特点得到体现。本文笔者主要对房屋建筑结构设计中的优化技术的应用进行分析，给房屋建筑结构设计等工作的开展提供有利条件。

房屋建筑；结构设计；优化技术

1　前言

伴随人们对生活水平、建筑质量的要求不断提升，要求建筑结构的设计技术必须不断的进步、提升，进而才可以使建筑物的质量、美观效果、舒适程度达到居住、使用的具体需求，才可以使其达到时代的发展要求。因此，应该重视优化技术在房屋建筑结构设计中的应用，进而才可以保证建筑的整体质量。房屋建筑中的优化设计不仅可以使建筑物的耐久性、功能性、安全性得到更好的体现，而且还可以突出其美观性以及经济性，进而给人们提供一个舒适居住的生活环境。

2　分析优化技术的内容及影响房屋建筑中结构设计经济性的因素

在房屋建筑的结构设计中，想要使优化技术在该过程中得到较好的应用，首先必须对结构设计中优化设计的具体内容进行了解。在设计要求达到建筑结构的使用功能基础上，还必须对设计过程中的各种问题进行充分的考虑，且在合理的经济下将房屋建筑中结构设计的工作做好，而该过程就是优化设计的过程。其内容主要包含建筑结构的选型、对建筑结构的受力情况和布置建筑构件的方式进行优化设计及分析。一般情况下，其内容可以分为两大部分：①将房屋建筑的结构整体当作设计对象来进行最优化的分析、设计；②把分部结构当作设计的对象实施最优化的设计和分析[1]。而且还能够对第二部的分内容展开详细划分，对细部结构进行优化设计、对中部主体、上部屋盖、围护结构、下部基础等内容进行优化设计。另外，对房屋建筑的结构进行优化设计时，还必须注意影响其结构设计的经济性的各种因素，在设计的过程中尽量防止这些因素带来的影响。

3　优化技术在房屋建筑的结构设计中的具体应用

对房屋建筑的结构进行设计目的在于使建筑物的美观性、安全性、功能性及以耐久性得到保证，对其结构进行优化的过程中，必须在各种功能得到满足的情况下对施工操作及建筑成本进行充分的考虑，根据保证建筑质量及资金的节约，设计者在对结构进行优化设计时可分成三个相关阶段。

3.1对量变进行选择

一般情况下，从事房屋建筑的设计师对其实际项目工程进行设计时，为给承包商、施工方提供更多的选择，其在设计时都会设计两套甚至多套房屋建筑的结构方案，进而给其挑选的过程中选择最实用、最好、最经济的方案。在对某一个建筑的结构进行设计时，建筑物的荷载程度应保持一致，而建筑师、设计者就会挑选最合理的优化设计对指标要素及内容进行分析，其主要是包括分析建筑施工的材料、设计数据及负荷计算的标准等，然后根据这些对建筑结构设计的方案进行分析[2]。

在房屋建筑的结构优化设计中，在最终的设计方案中起到决定性作用的主要是参考数据，而参考数据通常可用作变量给设计人员提供相应的选择。比如工程项目中目标参数主要包括预期产生损伤参数、房屋价格的参数，而工程约束和控制参数表示房屋的架构性能可靠的参数。若房屋建筑设计人员考虑因素相对较少、变化幅度也比较小的参数当作结构设计参考的指标，就会使建筑结构的设计、计算、编程等工作的难度大大减少，进而也就可以给设计人员提供更好的、与优化设计相符合的建筑结构设计参数，使优化技术在房屋建筑的结构设计中的作用得到真正发挥。

3.2确定相关的函数

建筑结构优化设计中，设计人员应参照事先设定好的钢筋尺寸的面积、房屋横截面的尺寸等函数，从许多相似参考函数之中进行科学、合理的选取，且对该组函数中各种相关的性质进行分析，进而使房屋建筑中的成本得到最大限度的减少，节约一定的建筑成本。设计人员通过对房屋建筑中结构设计的相关函数进行确定之后，选出做好的、最能体现出房屋的各种性能的数据，并根据这些数据进行设计，就可以使建筑的结构设计实现优化设计。

3.3对相关的条件进行衡量

因为在房屋结构的设计中需要对其稳定性、耐用性的不断提升进行考虑，所以房屋设计中相应的约束指标必须包括房屋架构的刚性与稳定性、房屋的尺寸、变形限度与受力限度、结构中确定程度与可塑程度等。进行具体设计的过程中，房屋结构的设计人员应该根据房屋建造的实际情况，分析、比较具体施工中对目标确定进行约束的条件及约束性条件，进而保证各种条件与建筑规定相符合，进而使结构设计中的优化设计目的得以实现。

另外，房屋建筑中结构设计者还必须重视钢结构在优化设计中的有效应用。将钢结构用在房屋建筑的施工中具有较大优势存在，比如钢结构与砖石结构、混凝土结构相比，其力学性能更加突，能够把建筑结构中的受力系统从平面逐渐发展到其空间，进而使房屋建筑安全性得到大大提升。同时，钢还代表轻盈，其富有一定的自然美、技术美以及艺术美，钢独特的魅力、艺术表现力能够使房屋建筑中的美观性淋漓尽致的展现出来。钢材料类型种类比较多，不同的建筑方法也各有各的特点，把这两点有机结合不仅能够使房屋建筑的工程进度得到提升，对建筑成本进行节约，并且还能够增强建筑人员在施工过程中的安全性。把钢结构用在房屋建筑中早已发展成房屋建筑结构设计的趋势及潮流，因此设计者在对房屋结构进行相应的优化设计过程中必须对钢结构进行充分考虑[3]。

4　工程案例分析

某住宅小区一栋居住楼是一栋由2个独立单元组成的高层住宅开发项目。工程设计为地面18层，地下1层，顶层层高2.88m，其他各层层高为2.8m，建筑总面积11659.0m2，总高度为52.6m。

原结构方案采用一般的剪力墙结构，对于房屋高度不太大的小高层建筑来说，这种结构会造成刚度过大，质量增加导致地震反应过强，使得上部结构和基础造价提高，结构布置见图1。

图1　原方案标准层梁板布置

优化后设计方案（下称为方案1）为短肢剪力墙结构体系，结构布置见图2。

图2　方案1标准层梁板布置

4.1结构抗震分析

从构件力学特性上来说，短肢剪力墙的肢长与肢厚比大于等于5，更接近于剪力墙，故计算时将短肢剪力墙作为剪力墙而不是柱考虑应更合理。软件SA TWE采用的是在每个节点有6个自由度的壳元基础上凝聚而成的墙元模拟剪力墙墙元，不仅具有平面内刚度也具有平面外刚度，可以较好地模拟工程中剪力墙的真实受力状态，计算结果较精确；同时，对楼板SA TWE可以考虑其弹性变形。虽然主楼结构平面较规则，立面也无刚度突变现象，但由于刚度较大的电梯井处筒体有点偏置，会产生扭转。为了计算准确，地震作用计算考虑了结构的扭转耦联和5%偶然偏心的影响，取了20个振型计算。

4.2自振周期的控制

考虑扭转耦联时的自振周期（计算时自振周期折减系数取0.95）如表1（只列了前8个）所示。从表1可得：方案1结构扭转为主的第1自振周期T3=1.3496s，平动为主的第1自振周期T1= 1.7132s，T3/T1=0.7878<0.9。

表1　结构自振周期

4.3结构位移的控制

风荷载、地震荷载作用下最大层间位移角（应≤1/1000）、最大水平位移与层平均位移的比值（不宜大于1.2，不应大于1.5）及最大层间位移与平均层间位移的比值（不宜大于1.2，不应大于1.5）见表2、表3。从表中可以看出优化后方案1在风荷载和地震作用下的位移均能很好地满足规范限值。

表2　风荷载作用下的结构位移

表3　地震作用下的结构位移

4.4剪重比、刚重比控制

剪重比是反映结构承受地震作用大小的指标之一。地震力计算不能偏大，但也不能太小。因为短肢剪力墙本身抵抗地震的能力较差，如果短肢剪力墙分配的地震力太大，则很有可能不满足要求。根据《建筑抗震设计规范》要求的X、Y向楼层最小剪重比均为0.8～1%，由表4知方案1的X方向的最小剪重比为0.84%，Y方向为0.83%。

刚重比是影响重力二阶（p-Δ）效应的主要参数，且重力二阶效应随着结构刚重比的降低呈双曲线关系增加。高层建筑在风荷载或水平地震作用下，若重力二阶效应过大则会引起结构的失稳倒塌，故控制好结构的刚重比，则可以控制结构不失去稳定。由表4知方案1的X方向、Y方向的刚重比均满足规定，所以各层均满足要求。

4.5轴压比控制

轴压比是体现墙肢抵抗重力荷载代表值作用下的能力。为了控制在地震力作用下结构的延性，“高规”和《建筑抗震设计规范》对剪力墙均提出了轴压比的计算要求。“高规”对短肢剪力墙（尤其一字墙肢）要求更高一些，“高规”规定：抗震等级为一、二、三时剪力墙最大轴压比分别不宜大于0.5、0.6和0.7。原方案底部剪力墙最大轴压比为0.58，方案1为0.59，相对来说优化后的方案1较原方案合理些。

表4　结构优化前后的剪重比、刚重比

4.6结构经济分析

为了与工程实际情况相符，假设混凝土的成本与混凝土的体积成正比，钢筋的成本与钢筋的体积成正比。在总造价上，暂不考虑模板及楼板等工程的造价影响，由表5知：优化后的方案1比原结构在总造价上要节约19.3%。

表5　两种设计方案概预算

通过原方案和方案1的电算分析指数表明，方案1的竖向结构体系的截面面积虽然较小，但仍可保证满足承载力、刚度、位移的要求。显而易见，优化后的方案不仅节约了业主的投资费用，更重要的是节约了资源。

5　结束语

对房屋建筑中的结构进行设计的目的主要是为了使建筑物

[1]赵良恒.房屋建筑结构设计的经济性及优化技术应用探讨[J].建筑，2014，36（22）：518～519.

[2]孙有果.结构设计优化技术在房屋结构设计中的具体应用探讨[J].科技致富向导，2011，33（02）：326～327.

[3]张启智，姜真.论房屋建筑结构设计中应用优化技术[J].城市建设理论研究，2014，34（9）：435～436.

[4]张鹏.探讨房屋建筑结构设计中的常见问题[J].中国建筑金属结构，2013，43（2）：257～258.

[5]易建姣，王大可.有关房屋建筑工程结构加固改造技术初探[J].科技致富向导，2012，05：197～198.

TU318

A

1673-0038（2015）18-0033-03

2015-4-13

梁雯（1970-），男，中级工程师，本科，主要从事建筑工程管理工作。