建筑结构设计中设计优化方法的应用

储开文 （中冶华天工程技术有限公司，安徽 马鞍山 234000）

1 建筑结构设计的五种优化方法

1.1 对数据模型进行优

在进行结构设计优化时，可以采取多种优化方法，而数据模型就是优化的基础。所以，在进行结构设计时，应根据实际情况建立数学模型，与此同时，通过科学、有效、合理的优化方法来对结构设计进行相应调整，以达成最好的效果。在对房建结构的数据模型进行优化时，首先是挑选合适的设计变量，保持牵动条件比较小的预定变量，再以减少资金投入控制建筑成本为目标，创造以建筑尺寸和有关数据所代表的目标函数，再结合房屋的预应力因素、结构强度因素、变形要求和尺寸数据，充分考虑建筑结构的所有限制因素，以实现最好的房屋结构的设计标准。

1.2 对数学计算进行优化

结构设计的优化与非线性数据是相关的，其中含有许多的限制条件以及变量。在实际进行优化时，经常会用到符合型法以及拉氏乘子法等方法，将限制条件更换成无限制条件，把计算过程简化，然后再通过一定的运算程序，就能获得建筑结构设计的最佳方案。

1.3 对概念设计进行优化

在优化时，不可以只通过计算机设计软件对结构进行优化，还需要与实际人工有机结合在一起，将概念设计的作用完全发挥出来。比如，在对建筑材料进行挑选优化的时候，最佳的方案是通过人工对各种材料的性能进行相关分析；在设定对应的技术参数时，最佳的方案是运用计算机的设计软件来优化设计标准。虽然进行设计时，可以通过计算机软件完成数量巨大的计算问题，这是人工无法快速完成的，但是计算机软件无法依据建筑的实际情况制定出最合适的设计方案。因此，在结构设计时，一定要根据实际情况，合理的使用计算机软件以及人工两种方法，来对概念设计进行有效的优化。

1.4 对加固过程进行优化

为了确保建好的建筑物可以长久安全的使用，就必须在施工的时候制定出符合规定的加固方案。从某种程度上说，建筑物的加固方案其实对于其使用性能是其决定作用，如果加固方案的设计出现失误或者是失败，就会对建筑物的安全使用造成非常大的威胁，不能达到建筑物的最基础的使用标准，也会由此给建筑工程造成无法估算的经济亏损。建筑物加固工程的重点是对其方案的制作，因为其存在设计方向很难更改，需求的单一性、供给的多样化等特征，只要加固方案已经确定在加固工程中进行实施，后期就很难对其进行调整，如果调整就会出现极大的财力浪费、人力浪费以及物力浪费。因此，为了确保和加强建筑物的结构稳定性，就一定要按照当前国家所规定的标准来选择合适的加固方案，以便建筑物的使用功能可以符合标准要求。

2 建筑结构设计优化策略

2.1 建筑结构的整体优化方法

建筑结构优化主要是指房屋建筑的整体构造与部分构造的设计两个部分，这两个部分相互依赖相辅相成，互为条件缺一不可。而建筑部分的设计优化包含很多内容，诸如屋顶的设计优化、框架的设计优化、基础的设计优化、维护优化等。这就需要工程技术人员运用所学专业认真思索、精心设计，在每一具体项目的设计过程中，不但要保证结构的安全性和适用性，还应当有效控制成本。智慧来源于实践，要实现科学严谨的设计优化，设计人员有必要亲自到拟建项目场地实地考察论证，掌握项目相关的第一手资料，做到心中有数，并在设计中充分考虑现场条件进行优化设计。比如，在建筑材料的选择上，除满足结构设计的安全性要求及建筑功能设计要求外，尽可能结合当地的生产条件及市场条件进行合理选取。再比如，当遇到较为复杂的地质条件时，设计人员也要结合当地的施工条件，采取合理可行的基础设计方案。这样，设计出来的建筑才能在施工中少发生问题，确保项目的顺利实施，从各方面保证建设项目的安全性，并尽可能节约成本，满足项目的投资要求。

2.2 结构模型的设计

第一、选择变量。在进行建筑结构设计优化时，设计师作为工程专业人员，一定要把影响方案设计的数值作为设计变量，例如，工程项目目标控制参数与限制参数等等。如果把影响原因或改变幅度相对小的参数作为变量，那么，房屋建筑无论是在结构设计，还是计算以致编程等，难度将会大大降低。

第二、确定目标函数。就是说，在实施构造设计优化操作中，专业设计人员要计算出能够满足有关预定条件的截面几何尺寸、钢筋的截面积和相关的失效概率函数，有效降低项目成本。

第三、确定约束条件。就房屋构造的设计优化来说，结构的可靠度必须要保证。同时，确定实施优化设计也要有一定的约束条件，不能随心所欲。所谓约束条件有不少内涵，比如裂缝宽度的约束、结构强度的约束、尺寸、应力、构件单元、结构系统、可靠性指标以及正常应用极限状态下的弹性、弹塑性等等。此外，还要对目标约束条件和现实约束条件有效进行对比和分析，以合乎相关规定要求。

2.3 选择最优程序进行统计分析

设计人员完成模拟设计工作后，再根据已知条件选取最佳计算方案，实现设计流程的最优化，使其有比较齐全的用途和完善的实践作用，完善建筑设计功效与作用。要不断总结经验教训，通过比较查找设计的薄弱环节，多层次多角度思考问题，既要注重经济利益、施工材料成本，也要顾全大局，提升信誉树立形象，更要改进技术发明创造，提升企业发展后劲。

2.4 基础结构设计优化

房屋基础结构的质量，直接关系房屋构造的整体作用与稳定。基础结构好，整体作用一定强，稳定性一定更牢固。因此，合理运用建筑构造设计优化方法，对基础构造设计至关重要。值得一提的是，要对地基地质、桩基种类、基础构造等方面的设计实施有效控制，适时确定桩基项目方式，把握桩身长度与直径，优化基础构造方案，确定科学的基础结构、施工技术与资金投入的平衡节点。在全面落实建筑结构设计优化的基础上，全面提升房屋整体构造强度和结构的稳定性。

2.5 节能结构设计优化

节能结构设计的优化必须以绿色建筑思维理念为前提和基础，设计人员要正确运用结构设计方法。具体方法包括：第一，要结合项目所处的地理位置、气候条件和所在地城市规划的具体情况，有的放矢地选择建筑的朝向，这么做不仅可使住户有好的采光照射，也为室内通风营造了温暖温馨的良好环境，可谓是一举多得；第二，要统筹兼顾，不能只顾建筑的美观而不考虑座向风向，只要设计科学合理，则会有效降低室内热量损耗，实现高效节能的最佳效果；第三，要采取优化措施，完善房屋建筑的维护工作。对屋顶、门和窗户等要提高设计标准。在面对阳光一侧，窗面积可适当扩大，有条件的也可增加窗户数量，这种设计方式会提升室内的采光度。在背光一侧，可适当减少窗的面积或数量，避免热量过多散失，以利节能。

3 总结

对建筑结构设计进行优化，一方面可以增强了建筑物的安全性能、实用性能，以及满足功能多样化的需求，另一方面可以提升建筑物本身的美观效果。因此设计工作者在进行建筑设计时，要对相关的优化技术进行充分运用，挑选合适的结构设计方案，以实现减少工程预算的成本，提升经济效益。在设计时，还需要更紧密的结合直觉对优化技术充分运用，提升建筑结构安全设计的抗震能力，以实现最大化的经济效益。