浅析钢筋混凝土结构优化设计

黄园园

（山东兴华建设集团有限公司，山东 青岛 266000）

进入到21世纪之后，钢筋混凝土结构取得了非常广泛的应用，建筑工程项目的高度逐渐增加，随之而来的是其复杂性逐渐增大，土建工程的成本所占比例越来越大。在设计的过程中，要进行必要的结构优化配置，保证其达到科学性、合理性的要求，并且可以提升结构的安全性。因此，设计人员需要充分的重视结构优化。

1 钢筋混凝土结构优化设计的意义

任何一个项目的开工建设都要经过策划、设计、施工等三个环节，在这三个环节中，虽然设计环节中的总成本在整个项目中成本占1%～2%，而设计阶段对于整个项目的经济性存在最为直接的影响，其可以影响整个项目70%以上的成本，所以，在施工中需要合理地进行设计方案的优化配置。但是目前的工程项目设计环节，应该进行结构优化配置，也可能是因为工程量巨大、设计任务繁重、时间紧张等问题，在确定结构方案只是通过人为经验来确定，造成了方案的经济性无法满足需要，最终导致了结构设计方案难以达到科学性与合理性的要求。截至目前，还没有一个能够使用到大多数的结构优化的数学模型，很多情况下需要进行适当的处理，最终保证其结构性能达到承载性能的需要，这就是最优解，也是结构设计的核心。

2 钢筋混凝土结构优化设计方法

在钢筋混凝土结构优化设计的过程中，不同的方案采用的优化方式也是不一样的，以下对其结构优化设计方法进行深入分析。

2.1 设计方案的优化

根据传统的结构优化设计理念，在具体优化设计的过程中应该从截面、形状、拓扑、布局、应力等几个方面出发。

2.1.1 截面优化

该方面的优化主要指的是根据实际需要来选择合适的截面尺寸，应用数学计算方式来确定，选择最优化的计算方法。这种优化方式较为简单，目前经过多年的研究之后已经日趋成熟，优化效果也非常高。根据实践经验来确定一个假定的尺寸，然后进行结果的验算，并且需要进行方案的优化设计，对比不同截面尺寸之下的配筋率的经济性，从而可以明确最佳方案。

2.1.2 形状优化

形状优化主要是将结构形状的边界作为变量，在进行边界点的汇集之后，然后利用这些点进行形状优化，其主要是应用到网架、桁架等结构部分的设计中。但是在应用的过程中，其变量比较多，优化之后的边界点不能达到光滑性、连续性的要求，虽然应用参数化的设计可以有效地解决该问题，但是其截面与形状两个变量，工作量会比较大，这种优化方式还需要完善。

2.1.3 拓扑优化

拓扑优化主要是利用模型分析来实现，在分析中通过有限元模型的设计，可以直接把设计中的拓扑优化直接转化成为结构尺寸优化，这种方案可以在应用中得到最优方案，目前该方案还处于研究试验阶段。

2.1.4 布局优化

布局优化问题最为烦琐，在设计中的空间维数也会非常高，如果计算的过程中没有合理地确定相应参数，会导致其结果受到一定的影响，无法确定最优解。这种方法还处于研发试验阶段，技术水平比较低，只是应用在少数的工程项目中，未来还需要加大力度进行研发，从而可以满足实际使用的需要。

2.1.5 满应力优化

杆系结构设计时，因为桁架材料、几何尺寸不变，所以，在设计中应该保证各个杆件在最大荷载的影响之下要接近容许应力，保证其结构的经济性达到要求，此时可以根据工程的实际情况来选择最优化的设计方案，以获取最优化的设计方案，这就是满应力优化。这种方式非常简单，操作起来也比较方便，并且在优化的过程中材料、几何外形等都是定量，不会发生任何变化，所以，在优化的过程中比较简单，工作效率、工作质量都比较高。这种方法在确定外部载荷最大的情况下，结构材料可以达到容许应力的要求，从而可以保证材料的消耗在最低限度内，可以充分地发挥出材料的综合性能，最终可以实现工程项目的优化。

但是在应用满应力优化的过程中，应该准确计算最大荷载组合应力，并且需要根据数据计算的结论来实施初步设计；然后就是根据工程的实际情况进行必要的结构尺寸、配筋率的调整，要满足整个结构的最大容许应力需要，从而可以更好地发挥出材料的综合性能。

2.2 影响设计方案优化的其他因素

2.2.1 能否精确计算荷载值

荷载的精细化计划更加的简单，其优化效果也非常好，例如，在进行墙体结构的荷载计算过程中，要根据其高度、宽度尺寸来进行计算，此时需要扣除墙体开洞之后所减少的数量；楼面荷载应该根据需要来选择功能性的合理参数值，同时需要适当地折减活荷载参数；合理确定风荷载、抗震性能要求等，然后按照本条的荷载要求来确定最佳的荷载系数，从而可以达到最优化的方案需要。

2.2.2 能否深入学习规范，准确理解规范

全面学习国家建筑标准和规范，理解其具体的含义，并且需要在工程中尽量减少结构与材料的浪费，设计人员应该充分掌握各项设计规范，并且逐渐应用到实践中。例如，剪力墙在布置的过程中，应该保证其构造配筋的量达到要求，不能根据内力来确定；构件设置多排钢筋的过程中可以根据需要来适当增加截面积尺寸，防止出现多排钢筋布置的情况，并且需要适当增大截面高度尺寸。

2.2.3 能否注意结构与建筑专业协调

建筑设计中应该从结构设计的角度出发，要保证房间的设计标准达到统一性的要求，并且需要保证其外形更加简单，避免结构出现错层的问题，同时应该保证形心与中心重合到一条直线上，不能出现扭转的问题。

2.2.4 能否合理选用钢筋和混凝土标号

高强度钢筋的强度比较高，与普通钢筋相比有着非常高的优越性，而高强度钢筋的性价比更高，所以，需要选择高强度钢筋，同时需要合理控制结构的配筋率，并且要加强水泥标号的控制，这是因为标号比较低的情况下极易出现开裂的问题，也会导致后续的维护与保养费用较高，经济性较差。

2.3 钢筋混凝土结构优化时应注意的问题

在进行工程项目优化设计的过程中，需要充分考虑到优化精度的要求，但是不能过度的追求精度而忽视与工程实际情况的匹配度。首先，变量的数量对于复杂性有着直接的影响，变量数量过多，其需要的优化设计时间也会越长，所以，在变量选择中应该对于构造影响较大的变量进行全面考虑，对于次要变量需要充分考虑。其次，在规范规定优化设计的过程中，要保证约束条件达到要求，需要将构造中的参数看作约束条件进行优化，从而可以进一步地减少变量的数量。第三，结构优化目标函数能够直接影响优化质量，所以，在实际中应该根据需要选择合适的目标函数，从而可以保证其最终的方案达到最优化的要求。

3 结语

总之，工程项目的优化设计过程中，需要考虑到项目的安全性、耐久性等方面，应该保证其各个结构都能够达到可靠性的要求，同时应该符合经济性的要求，要为企业创造更高的经济效益，并且各个结构都要达到预期的功能，以满足实际使用的需要。