浅谈结构优化设计的原则及方法

朱金梅

（广州京穗勘察设计有限公司， 广东 广州 510000)

0 引言

对建筑结构设计进行优化，让结构设计能够更加贴合实际，满足建设方的需求，同时可以节约工程建设成本，从而达到最大效益。本文针对传统结构设计中存在的弊端进行分析，提出结构优化设计的原则和方法：坚持安全第一兼顾舒适的优化原则，因地制宜地优化结构设计，提高建筑的实用价值，降低项目建设成本。

1 传统结构设计的弊端

1.1 工作效率低下

传统的结构设计，主要是结构工程师通过建筑工程师提供的建筑图纸进行结构设计，在结构设计时离不开精密计算，而建筑结构在实施过程中也少不了对结构的优化，确保建筑的安全性。传统结构设计需要在原来的图纸上进行不断地改写。这种结构优化设计的方式工作效率低，在修改过程中容易导致重要数据丢失，同时无法保证数据精确。即使传统的结构工程师开始进行结构设计之前，就会将客户的要求以及相关数据全部收集整理好，确保自己的整个结构设计方案能够一次通过，但是这样的工作效率也是很低的。客户不能短时间内看到建筑结构图，如果出现方案不通过的现象，会拉长结构设计时间，工作高效更是无从谈起。

1.2 资源的浪费

结构工程师是通过结构语言来表达所要实现的东西，而结构语言就是从建筑图纸及其他专业图纸中提炼出来的结构元素，然后通过这些结构元素来形成建筑物的结构体系。在结构设计过程中，它不仅需要专业人员新奇的设计想法，还需要精密的计算，因此传统的结构设计形成资源浪费。在进行结构优化设计时，结构工程师一般会采用图纸绘稿的形式，去进行结构设计。为了满足客户需求，结构设计需要不断修改，为了达到数据精密，结构工程师需要更多的作图工具进行绘稿，有的作图工具只用一次，在资源上造成了一定的浪费。结构优化设计时，它缺少计算机等辅助工具，因此会使用替代工具制作相符模型，这种模型不具有重复利用性，之后销毁也会造成资源浪费。

1.3 数据的不定性

结构工程师在进行结构优化设计时，由于传统的结构设计方式是手工测量的数据，然后根据尺子在图纸上按图比画下来，但是这种作图的方法，很容易因为自己的失误而造成图纸上数据的错误。即使结构工程师了解了结构优化设计的要求，有可能在结构优化设计的过程中出现数据的错误，从而导致数据的不确定性增加,容易导致整个结构设计的图稿变成一张废纸。

2 结构优化设计的准则与规划

2.1 优化准则

在结构优化设计时，需要满足一些设计准则，如从工程角度来看的应力准则，这些准则大多是从实践经验的基础上总结出来的一种工程方法，通过严格的理论分析、研究和判断得到，由此得到的设计一般都接近最优。第一是满足应力设计准则，充分发挥材料强度潜力,较好地处理结构中的位移、自身的震动频率以及弹性稳定性等问题。通常由库恩·塔克条件建立参考方程，但其适应范围有限，主要适用于规定了结构布置或形状的情况。

2.2 数学规划

数学规划主要是从结构力学的原理出发，通过运用各种数学方法去寻找结构优化设计数据，从而使得结构设计达到最优化。数学规划法所包含的理论知识也越来越多，它可以适用于各种各样的情况之中，在结构优化设计这一领域也具有一定的通用性。尽管它具有一定的通用性，但是仍要具体问题具体分析，结合实际去进行合理地应用，确保后期设计稿具备最优的解决方案。

3 结构优化设计所要解决的问题

在结构优化设计的过程中，最重要的是要学会如何去建立数学模型。建立一个数学模型主要要考虑两个因素：一是设计变量，二是目标函数。

（1）设计变量。设计变量是建立数学模型的基础。如在建立一个3D正方体的数学模型图的时候，首先要对整个正方体的长、宽、高进行一个数值的设计，这样在后面建立数学模型时就有了数据的基础，可依据这个数据进行模型设计。在整个数学模型中它的变量越多也就证明它的效果越好，但在进行变量设计时，最为重要是要结合实际情况进行数值的设计，才能准确地呈现整个结构设计的数学模型，这样的数学模型才具有使用价值。否则，即使数学模型建立出来，也会因为变量脱离客观条件，从而导致这个数学模型不具有实际的作用。

（2）目标函数。在进行数学模型的建立时，也要对数学模型的各个变量设置一个函数表达式，利用这个函数表达式去表达设计的变量之间的关系。这个目标函数，也是展现整个结构设计是否达到规定要求的一个判断标准。

4 结构优化设计的原则与方法

需要结合工程的实际状况进行科学的优化设计，最终的结构设计才能获得较好的效果。针对此，提出以下几个方面的建议。

4.1 坚持安全第一的原则

建筑结构的安全性，是工程师在进行建筑设计之初应首要考虑的问题。因此，我国早已颁布相关设计标准，提出建筑结构要努力做到“小震震不坏，中震尚可修，大震不倒塌”的原则，在建筑结构优化的过程中，要始终将建筑结构的安全性放在第一位。因此，在进行结构优化设计时，应分别考虑各个建筑构件的承载力，再综合考虑优化后的建筑构件的承载力，保证优化后的建筑构件符合安全规定，使整个建筑呈现出安全又耐用的特点。此外，由于结构构件在不同的位置，受力的大小也有所差异，因此，应针对建筑结构的特殊部位，对建筑构件和设计方案进行优化。比如，在一些复杂的建筑中，要根据剪力墙上面的错洞情况，用特殊材质的暗柱进行加强处理。

4.2 兼顾舒适度的原则

在建筑结构优化时，还要考虑到用户的使用舒适度问题，坚持兼顾舒适度的原则，则应综合考虑建筑的平面占地、内部空间、层高等因素，从设计、结构、装饰再到空调、燃气等多方面进行优化，从而保证用户在建筑使用中，感受到较高的舒适感。因此，在建筑结构优化设计时，应对建筑的结构体系进行综合优选，对结构的传力路径进行科学分析，对内部的构件进行合理布局，对材料的选取进行严格把控，总之，应当从多方面提升建筑的使用舒适度。

4.3 优化结构布局，降低成本

在结构设计过程中，需要注意的是对整个结构的成本控制。通过对结构的整体布局调整，优化整体结构布局，使得整个结构在保证质量安全的前提下，能够使建筑成本降到最低。降低成本可以从以下几方面去考虑：在结构的整体布局上，在保障其稳定性的同时可以采用多元化的布局方式减少材料的使用，同时还可以在保障整体结构质量达标的前提下，合理选择不同材质的材料，在材料使用上进一步降低成本。

4.4 因地制宜优化结构设计

建筑所处的地理位置、气候情况、土壤情况、水源情况等，也会影响建筑的结构设计。因此，在进行结构优化设计的时候，还应考虑建筑所处的地理位置等外在因素，采用因地制宜的方式进行结构优化设计。工程师在进行整体结构设计的过程中，需要先对设计地区的气候、风俗、地形以及地质进行勘察了解，根据这些基础信息，再对结构进行优化设计，尽量避免设计缺陷的存在。

5 结束语

当前在建筑行业，结构设计软件、BIM技术的运用，为结构优化设计创造了条件，提升了效率，降低后期的施工成本，满足当前工程建设模式发展的需要，各建筑企业都十分重视结构优化设计,并按照安全，舒适，低成本的原则，进行整体结构布局设计，在后期的顺利施工及增加收益奠定基础。