建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用

（辽宁 沈阳 110041）

一、结构设计优化技术的现实意义

结构设计优化和传统房屋结构设计进行比较我们可以发现：运用设计优化的技术能够降低建筑的工程造价（6～35%）。结构设计优化技术能够使得建筑结构内部的每个单元都得到最佳的协调，并可以对材料的性能进行最合理的利用。这样不仅能够保证相关规定的安全系数，还能够实现对建筑结构设计的经济性与实用性。

二、结构设计优化技术在建筑结构设计中的步骤

（一）结构优化模型

房屋结构整体优化设计方法分以按3个步骤进行。

1.选择设计变量。一般把对设计要求起主要影响作用的参数作为设计变量，如目标控制参数（结构造价C1和损失期望C2）和约束控制参数（结构的可靠度PS）；而将那些对设计要求来讲，变化范围不大或是根据结构要求或局部性的设计考虑就能满足设计要求的参数等作为预定参数，这可以大大减少设计、计算和编制程序的工作量。

2.确定目标函数。寻求一组满足预定条件的截面几何尺寸和钢筋截面积以及失效概率，从而使总费用最小。

3.确定约束条件。房屋结构基于可靠度优化设计的约束条件，则包括尺寸约束、结构强度约束、应力约束、变形约束、裂缝宽度约束、构件单元约束、结构体系约束、从正常使用极限状态下的弹性约束到最终极限状态的弹塑性约束、从可靠指标约束到确定性约束条件等。在设计中，要使结构优化设计应用于实际房屋结构工程，则是路房屋结构设计中实际的约束条件与目标约束条件相比较，保证各约束条件都符合现行规范的要求，以实现最优设计。

（二）设定优化设计计算方案

房屋结构基于可靠度的优化设计问题属于比较复杂的多变量、多约束非线性优化问题，在计算过程中，通常是将有约束优化问题转化为无约束问题求解。可以利用的优化设计计算方法有复合形法、拉氏乘子法、Powell法等。

（三）进行程序设计

根据基于可靠度的结构优化模型和选择的优化设计计算方法，编制功能齐全、运算速度快的综合程序。

三、建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用要点

（一）选择节能指标较高的结构类型

房屋结构形式的选择，意味着选择不同工程造价的建设模式，常见的结构设计形式有如下三种。

1.短肢剪力墙结构，这种结构形式常见于高层建筑，以混凝土结构技术规程为依托，这种结构形式相对于普一般剪力墙的抗震级别要高，构造配筋率较高，但比起一般剪力墙，构造钢筋使用数量不多，所以在适当的时候可以选择短肢剪力墙这种结构形式。

2.框架结构，具有大开间、布局灵活性强和造价成本低的优点，但这种结构抗震能力弱，柱截面较大，形成的柱角凸出部位会妨碍家具的布置。

3.框架一剪力墙结构，即在框架结构中合理进行一定数量剪力墙的布置，这种结构合理，适用能力强，而且能够应对各种不同的变形压力，是一种抗侧力较好的结构。

（二）注重细部优化

1.关于箱、筏基础底板挑板的阳角问题。阳角面积可砍成直角或斜角。如果底板钢筋双向双排，且在悬挑部分不变，阳角不必加辐射筋。

2.关于箱、筏基础底板的挑板问题。虽然在计算时此处板并不应按挑板计算，当然此问题并不绝对，当有数层地下室，窗井横隔墙较密，且横隔墙能与内部墙体连通时，可灵活考虑；当地下水位很高，出基础挑板，有利于解决抗浮问题；从建筑角度讲，取消挑板，可方便柔性防水做法。

3.关于梁、板的计算跨度。梁板结构，简单点讲，可认为是在梁的中心线上有一刚性支座，取消梁的概念，将梁板统一认为是一变截面板。在扁梁结构中，梁高比板厚大不了多少时，应将计算长度取至梁中心，选梁中心处的弯距和梁厚，及梁边弯距和板厚配筋取二者大值配筋。(借用台阶式独立基础变截面处的概念)柱子也可认为是超大截面梁，所以梁配筋时应取柱边弯距。削峰是正常的，不削峰才有问题。

4.基坑开挖结构优化。基坑开挖时，摩擦角范围内的坑边的基底土受到约束，不反弹，坑中心的地基土反弹，回弹以弹性为主，回弹部分被人工清除。基础较小，坑底受到很大约束，回弹可以忽略，在计算沉降时，应按基底附加应力计算。当基坑很大时，相对受到较小约束，如箱基，计算沉降时应按基底压力计算，被坑边土约束的部分当做安全储备，这也是计算沉降大于实际沉降的原因之一。

5.回弹再压缩基坑开挖。关于回弹再压缩基坑开挖时，摩擦角范围内的坑边的基底土受到约束，不反弹，坑中心的地基土反弹，回弹以弹性为主，回弹部分被人工清除。当基础较小，坑底受到很大约束，如独立基础，回弹可以忽略，在计算沉降时，应按基底附加应力计算。当基坑很大时，相对受到较小约束，如箱基，计算沉降时应按基底压力计算，被坑边土约束的部分当做安全储备，这也是计算沉降大于实际沉降的原因之一。

（三）结构设计信息优化技术

由于房屋建筑结构受到设计变量等条件的约束，难以用单一的方法进行结构优化。笔者认为，鉴于房屋结构设计的复杂性，应该开发一种较为实用方便的参数定义优化软件，减少设计者在结构优化方面的精力和时间。笔者较为推崇的是TBCAD系统，这种系统是针对结构方案设计、建模、分析、评估等为一体的成本控制软件系统，这种系统可以进行结构方案的指导设计，使得方案的人力、物力和财力资源等趋于最优状态。系统的信息分为两个时间段进行优化，第一个时间段是通过对材料的分配调整，使用最少的混凝土用量满足侧向刚度的要求，系统在这个时间段的目标函数是混凝土的使用量，而结构构件的断面大小则是设计的变量。第二个时间段是对构件强度的优化，通过对构件结构的断面大小以及钢用量的调整，使得构件的强度要求实现只需较少的结构造价。