建筑结构优化设计

王 毕

（湖北省荆州市洪湖市，湖北 荆州 434000）

1 优化设计原则

建筑设计过程中不仅要遵循结构安全和可靠性的原则以及建筑规范规定的内容，还要体现以人为本的原则，提高业主的舒适度，同时降低工程造价，提高土地利用率，发挥建筑本身最大的价值。

1.1 不规则平面布置

不同的建筑有不同的使用目的和功能需要，比如框架结构需要对柱和梁进行优化，而剪力墙结构就需要对墙的布局和墙肢的长短进行优化，不仅满足建筑的空间使用要求，还要满足结构的安全可靠和经济合理。

1.2 提高舒适度原则

舒适的居住环境是建筑设计的终极目标。建筑舒适度的优化需要从建筑的各方面进行整体优化，包括结构、装饰装修以及电气管道安装等方面。

1.3 保证整体安全原则

结构的安全性必须符合相关规范和国家标准的强制性要求，尤其是建筑抗震设计尤为重要，需要保证结构的每个部位都达到抗震要求，使整个结构安全可靠耐久。

1.4 各部分合理协调优化原则

对于一个建筑来说，其各部分的受力是完全不一样的，各部件在结构体系中起到的作用也是不一样的。因此依据不同部位的不同受力性能，合理的设定不同的安全系数，使整个结构既能满足整体稳定要求又能满足承载力要求，从而达到整体优化的目的。

1.5 建筑结构低造价原则

在保证建筑结构整体安全可靠的前提下，尽可能地降低工程成本。

2 结构优化设计方法

建筑结构优化设计基本方法应以数学和力学理论为基础，借助计算机工具计算寻找各个变量的最优解。

2.1 多目标问题的优化法

实际工程结构设计中往往需要同时考虑多个变量因素，在众多的方案中对比选择出最优的，最终的期望就是各种指标和影响因素都能达到最佳值。

2.2 满应力准则法

从结构的各个部分出发，在各种工况和最不利的情况下，使结构的各个部分都能达到材料的容许应力，是材料最大限度的发挥作用。齿行法、应力比法和能量准则法都属于常用的满应力准则法。其中应力比法和齿行法基本原理均相同，齿行法是应力比法的改进方法，是通过多次的迭代使结果不断向目标值接近。能量法与前两种不同，其原理是以应变能为基础，以减少结构材料用量为目的。

2.3 有限元准则法

有限元方法是借助计算机软件，以数学理论和力学理论为基础进行分析的方法，在有限元分析中，程序将连续的结构划分为离散的单元进行分析。

2.4 智能优化准则法

智能运算是随着现代科技的发展而产生的一种运算方法，目前也广泛应用于结构优化设计中。其中遗传算法和退算法最受欢迎。

3 建立结构优化设计模型

如何建立优化结构模型呢?要建立优化结构模型，首先要选择合理适当的设计变量，因为各种设计变量的选择对设计要求的影响是巨大的，起着无可取代作用。其次，要确定选定的函数。

4 结构优化设计的发展

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。

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，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。