房屋结构设计中设计优化的运用分析

唐 陶

（合肥都市规划建筑设计事务所安徽 合肥 230000）

房屋结构设计中设计优化的运用分析

唐 陶

（合肥都市规划建筑设计事务所安徽 合肥 230000）

目前房屋建筑行业的成本消耗非常大，结构设计和造价的优化势在必行，既能保证房屋的安全性，也可以有效的节约成本。本文对房屋结构设计中的设计优化及其运用进行了浅要的分析，对优化设计进行举例，并且阐述了设计优化的必要性和意义。

房屋结构；设计；优化

引言

经济基础决定上层建筑。随着我国经济和社会的发展，房屋建筑行业的发展势头逐步攀升，其竞争力也就越来越大。房屋建筑行业的造价在其经济比重中分量很大，若能在初始的结构设计环节进行优化，使得房屋建筑的全部资源得到更优化的使用和配置，这样既能提高自身实力，更重要的是，能够响应国家号召，节约资源，优化成本，提高房屋安全度和使用性，实现资源的最大利用率。

1　结构设计优化的原则

主要体现在结构的概念设计环节，结构方案的选择上。

（1）为避免结构的扭转效应以及层高突变对结构产生破坏，造成结构布置不规则从而导致房屋安全性较差，应使结构的抗侧移刚度和质量重心尽量靠近，优先选用平面和竖向布置规则的结构设计方案。

（2）因为传力过程复杂从而使结构构件出现多次、多级的转换，导致结构容易疲劳，从而产生安全问题，相应的工程造价也会提高。因此在设计环节应该尽可能使结构的传力和受力直接、简单。

（3）结构的抗震承载力、延性以及抗侧移刚度是非常重要的力学性能指标，所以抗震概念设计应该成为结构设计的主要任务，在特点的平面和空间中配合结构和构件的性能达到最佳的受力状态。

（4）在结构设计的时候，结构工程师加强与建筑师的沟通，理论和实践充分结合，设计出效果最好、造价最低的最佳的结构方案。

2　结构设计优化的应用

应用方法：

2.1对设计模型进行优化

①处理设计工作的冗余度，选出最影响本身设计的因素作为设计变量，其余变量为预定参数；②在控制总费用成本的基础上，将预定参数的各种建筑尺寸与相关数据用函数表示出来；③在大方面上制定好设计中需要约束的条件，比如房屋的尺寸、结构的整体强度、变形适应能力以及相关参数等；④在相关条件的约束下，根据相关数据和表达形式，将影响结构最优设计的具体参数发掘并提炼出来，建立起设计的函数模型。

2.2对设计计算方案进行优化

房屋设计方案由于变量较多，各种数据比较复杂，但是可靠度要求有非常高。因此，在优化设计计算时，将限制性的问题转变成无限定的问题，采用拉式乘子发和Powell算法等优化计算方案进行计算。

3　应用环节

3.1前期设计环节

具体到监管工作中，蚌埠市局注重问题导向，突出专项治理，全面推行量化分级和风险分级管理，致力完善身份可查、信息可溯、风险可控、问题可追的全程安全追溯体系。规范食用农产品批发、连锁企业及38家农贸市场的经营行为，改造提升78家学校食堂，集中改造了百大饮食群（篾匠街）、张公山美食城等饮食街，使437家餐饮单位“明厨亮灶”改造达标，1981家小餐饮、20条餐饮服务一条街通过示范店、示范街验收。

目前，房屋的前期设计环节，没有充分考虑结构设计的合理性和有效性，有些因素会导致房屋设计的负面影响。因为前期设计环节与整个项目的总造价息息相关，因此应该在此环节优化设计方案，保障设计的合理性，为整体的房屋设计开启良好的开端。

3.2基础和地基设计环节

万丈高楼平地起，基础和地基是整个结构设计的关键之处，随着建筑行业的发展，地基建设也有非常多的样式，应该根据不同的形式从实际出发，通过良好的地基勘测计划，秉承节约造价、优化方案的原则，从选择良好的地桩开始，考察不同结构的受力情况，选择最佳的设计方案，使地基结构拥有最优规划。

3.3抗震概念设计环节

抗震概念设计在房屋结构设计中占有举足轻重的地位，其优化方案主要应用在抗震设计中。普通的使用抗震设防烈度作为设计案例进行设防是有非常大的不确定性的，所以应该在具体的设计过程中将房屋结构设计的方法灵活的应用在抗震设计中，以达到最佳的设计参数值。在抗震设计中，还必须要注意细节的结构设计。将结构中的某一细节板或柱的选用作为另一个具体的设计方案要求，考虑其各方面的参数要求，如承受力矩能力、钢筋的选用等，从而保障其在整体的内部结构中，满足结构优化的具体条件，不仅结构的安全能够得到保障，也能够达到有效的经济效益。

4　应用举例

4.1房屋抗震设计的优化

抗震概念设计秉承实用、安全、经济的原则，然而不同地方的不同房屋结构对抗震技术的要求均不同（如表1），应根据地震本身的特点和对应地区房屋的要求进行优化。

（1）要在最大程度上较少地震造成的破坏，在房屋结构的主体和基础连接部分安装隔震层，最大能力的隔绝地震的能量。或者在房屋顶部设计反摆，利用其产生的阻尼作用，抵消地震作用。

表1　不同省份房屋材质所占比例

表2　抗震墙之间楼屋盖的找宽比

（3）要着重注意房屋纵向的布局。严禁出现头重脚轻、刚度度大等现象，使平面和纵向的各种结构简单明确，刚度和质量中心尽量重合，减少鞭梢效应的发生。

当出现严重特殊事故的时候，必须采取相应补救措施，如立即对结构内部进行划隔或者增加抗震缝等，来减轻地震带来的严重后果。

4.2细部结构——构造柱的优化

图1　构造柱

构造柱的主要设立部分为纵横墙的交界处、墙的转角处和墙的中部、休息平台处等，但是近年来构造柱的尺寸普遍加大，而且在其他的不必要地方也设置了构造柱。除了楼梯四角、墙柱交界处等必须设置的地方，其他地方为增加美观或者小部分装饰的构造柱，可以去除掉，从而降低造价。

不同的抗震烈度下的构造柱尺寸不同，构造柱之中的钢筋直径也不相同。可以根据相应的抗震设防要求，将钢筋直径和构造柱截面尺寸进行相互协调，一定量的优化钢筋和构造柱的尺寸，从而降低造价。

5　结构设计优化的意义

为适应我国国情的发展形势，高层建筑越来越成为主体建筑，从而为追求其成本的最低化，房屋设计工作者将技术与经济效益有效的进行结合，通过合理的设计优化方案才能确保实现最大的经济效益，促进国民经济发展。

5.1降低结构的总造价

通过结构的设计优化，建筑占地面积减少，节约了用地成本。由于层数的增加，基础的承受能力需要加大，从而增大基础面积，通过优化使单位面积的造价降低，并且充分利用各方面的资源，减少了开销，从而降低造价。采用设计优化的技术可以降低总造价5～30%。

5.2提高房屋结构的经济性

通过设计优化的技术上的改变，可以最合理的利用各方面材料的性能，从而是结构内部各方面更好的相互协调，不仅能够达到实用和安全的效果，而且能够使房屋美观且便于施工。从而满足了房屋建筑结构对经济效益的需求，适应了市场对可持续发展的需求。

6　结构设计优化注意的问题

计算模型数据计算时，不要盲目依赖计算机，对于结构的限制条件和应用范围要搞清楚；在输入尺寸和数据时，力求准确无误。

计算模型的参数要选取的正确合理，而且要注意和实际结构的差异，通过结构的概念和工作的经验进行系统的分析，力求合理准确。

目前的很多建筑的结构布局和设计也非常合理，计算机的计算分析对于结构设计属于比较薄弱的环节，尽量避免为追求优化的效果，而盲目的减少尺寸，从而造成不必要的后果。结构设计优化的环节，建筑工程师要一起讨论确定，集众人之力完成优化任务。

7　结束语

房屋结构优化能够使房屋变得更加安全、美观、实用、经济，也认识到初期方案设计的制定依据概念性设计的重要性。只要一直秉持对房屋质量和安全的理念，不断对房屋结构设计进行优化，会促进我们的经济和社会的发展，从而改善我们的生活质量。

[1]李峰.浅谈现代建筑结构优化设计[J].建筑科学，2010，3（9）：80～84.

[2]张炳华.土建结构优化设计[M].上海：同济大学出版社，2008，9（15）：34～36.

[3]曲浩.浅谈结构设计优化设计技术与其在房屋结构设计中的应用[J].科技与企业，2013（04）.

TU318

A

1673-0038（2015）18-0005-02

2015-4-10

唐陶（1980-），男，中级，本科，主要从事结构设计工作。