建筑结构设计优化方法的应用研究

张 浩孟玲辉(山东省滨州市规划设计研究院 56600 山东省滨州城建集团公司 56600)

建筑结构设计优化方法的应用研究

张 浩1孟玲辉2
(1山东省滨州市规划设计研究院 256600 2山东省滨州城建集团公司 256600)

本文主要讲述了在对建筑的结构进行优化设计时所运用到的结构设计优化理论方法，应用这种方法可以得到建筑结构的优化模型以及相关的计算方法，从而在实际的建筑房屋设计中体现出其结构设计的特征。将该种方法的理论运用到实际中去，对于节约建筑物的成本有着极大的好处。在现实生活的建筑设计中，该理论方法具有很强的可操作性，为今后在建筑行业中应用结构设计优化理论提供了充足的理论依据，对于建筑行业的长远发展具有深刻的意义。

建筑物；设计优化；建筑结构设计

随着我国现代化步伐的加快，经济水平的逐步提高，人民生活水平相较以前有了极大的提高。人们对生活的要求越来越高，其中就包括住房问题。人口的持续增长使得城市里的高楼大厦越来越多，而与此相对应的，城市里可用来开发房地产的土地资源却越来越少，土地资源有限，人口与土地资源的矛盾日益显得严重，这样的后果就是直接推动了土地价格的上涨，开发商在开发建筑物时所需要付出的成本也越来越高，人民的住房压力也越来大。如何降低房屋的建设成本就成为开发商一个急需解决的问题，将建筑物的开发成本控制在一个相对合理的水平里面。

1 优化的结构设计方法

目前社会上的许多建筑物在外观上都可以给人带来一种愉悦的享受，这是因为在建筑的施工设计上采用了结构设计的相关理论，使二者能够非常有效的结合在一起，进而实现了外观美感的提高。在生产实践中，我们对建筑物的要求一般都是安全实用、美观、建筑施工简单方便等目标。本文所阐述的结构设计优化理论就能够对建筑物的设计技术进行优化，从而满足人们对建筑物结构强度高、外表美观的要求，它还能够使建筑物的性能更加安全、建设成本进一步降低，向真正的“经济适用型”建筑物接近。从建筑学的角度来分析，结构化设计优化理论主要体现在对建筑工程结构进行总体的优化设计以及优化设计建筑工程结构这两个方面上。

1.1 建筑模型的优化结构设计方法。

在进行一项大工程的实际设计施工前，首先设计出一个建筑模型，然后对该建筑模型进行理论上的优化是十分必要的。对建筑工程进行结构优化设计主要包含以下几个方面：对围护结构以及基础结构进行优化设计、对结构的具体部分以及屋盖系统方案进行优化设计。除了对这些部分要做一些必要的优化设计以外，对建筑物的造型、整体布局、结构受力分析、工程造价等等各方面进行具体的优化设计也是有必要的。在优化这些设计的过程中，所有的工作都是从实践出发，依据工程的实际情况，以建筑物的综合经济价值为目标来进行结构优化设计。在实际的结构设计中，首先要明白设计的意图，实现了该目标后，再要使建筑物的空间布置比较有规则，减小刚度与质量中心的差异性，采用了这种做法，可以有效避免水平荷载和建筑物之间过大的扭转作用力。在垂直方向上要减少转换层的使用，从而避免应力都集中在一块。

约束房屋结构可靠度的优化设计主要包含以下条件：裂缝宽度以及结构强度约束、应力以及尺寸约束、从正常时的极限状态下弹性约束到终极状态的弹塑性约束、从可靠指标约束到确定性约束条件等等。在实际的建筑物设计中，我们要做到各种约束条件都满足现行的各种规章制度，符合行业的标准要求。

1.2 建筑模型的优化结构设计的计算方案。

在完成了计算方案的设计后，我们只需要再设计一种符合要求的程序，应用该程序就可以得到对建筑物的最终优化结果。但是在实际操作中，结构设计需要对多个约束条件以及多个变量进行优化，这就涉及到非线性化的优化问题，因此，在设计程序时，要将有约束条件的相关变量转化成为无约束条件的变量来进行计算。在实际的建筑工程实践中，常用的计算方法有拉氏乘子法、Powell 算法和符合型等，可以利用这些方法对建筑物的模型设计出合理的结构设计方案。

2 优化的结构设计技术在实践中的应用

在对建筑物模型设计好了优化结构设计方案后，就可以在实际设计施工中应用该理论方法。结构化设计优化理论是当前一个非常常见的研究项目，要想实现将结构设计优化理论应用于实践中，但不可以改变建筑物的适用性能，而且可以实现降低工程造价的目标，这是从事建筑行业的设计人员一直追求的目标。在建筑物项目的整体设计以及前期设计中，老旧危房的改造以及相关建筑物的抗震设计等各个环节中应用结构设计优化理论，会产生极大的经济效益。

在应用结构设计优化理论对建筑物的模型进行优化时，要特别对以下三个方面的问题加以注意：进行结构设计优化的前期工作，优化概念设计以及细部结构设计，优化地基基础结构部分。下文将就这三方面的问题加以详细的讨论。

2.1 参与结构设计优化的前期工作

建筑物的前期设计方案对建筑物的总造价有着直接的影响，但是现在存在的主要的问题就是结构设计中并不包含在前期方案的阶段中，设计师在对建筑物进行设计时一般情况下不会将结构的可行性及其合理性考虑进去，但是结构设计的结果是与建筑设计的结果息息相关的，设计师的某些方案或许会增加建筑物结构设计的难度，造成施工难度加大，从而导致建筑物的总投资比预期要高出许多。如果将结构优化设计融入到建筑设计方案的初期中去，那么建筑师们就可以针对不同的建筑物选择相应的结构方案和设计方案，使得建筑物在结构上有根本的质量保证。

2.2 将概念设计和细部结构设计进行优化

概念设计主要应用于抽象化的建筑物指标中，比方说地震设防烈度，由于实际情况的地震强度具有不可预测性，通过计算程序得到的结果与现实的具体情况还是有很大差异的，在进行类似指标的设计时就要运用到概念设计的相关理念和方法，通过这种方法可以得到一个数值，然后将这个数值作为设计的辅助和参考的依据。在实际的建筑物设计中，需要建筑设计师采用多种方案，灵活运用结构设计优化的方法，得出最符合要求的方案，使结构设计的效果达到最佳。

3 优化的结构设计实际价值

在建筑物的设计中，对建筑物进行结构设计优化显得十分重要，因为使用结构设计一方面可以降低建筑物的投资，另一方面可以提高建筑物结构的经济性，这些对于建筑物的建设来说具有实际价值。

3.1 通过结构优化设计来降低总造价

在实际的结构优化设计中，多层建筑物和高层建筑物有着明显的不同，根据实际情况来说，建筑物的层数越多，相对应的总建筑面积就越大，建筑物单位面积所占用的土地资源就越小，这虽然可以节约土地资源，但随着建筑物层数的增加，各建筑物与建筑物之间的间距也会加大，这种情况就不能说土地的使用量与建筑物层数是呈正相关了。考虑到屋盖部分，不管层数多少，一栋楼只有一个屋盖，所以楼数增加可以使建筑成本下降。但是基础部分会随着建筑物层数的增加承载的荷载相应会增加，这就需要对该部分加大投资，单位面积的造价就会下降，但不会像屋盖那样明显。

3.2 通过进行结构设计优化来提高建筑结构的经济性

建筑物越高，水卫和电气的管线相对应的也会增加。但建筑物高度越低，可以节约材料，各建筑物之间的距离减少，可节约土地资源。建筑物形状的不同其受力性能也不同，提高建筑的经济性能。

4 结论

在建筑物的实际设计中采用结构设计优化方法，能实现对有限资源的最大程度的利用，达到经济化、适用性以及实用性的目标。这可以满足人们对建筑物的各方面的要求，提高人们的居住环境和生活环境。与此同时，这也可以让建筑商寻找新措施来满足顾客的要求，降低成本。

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1007-6344（2016）04-0087-01