建筑結構設計優化方法在房屋結構設計中的現實應用

鄒 俊

重慶市設計院，重慶 400015

建筑是凝固的藝術，精美的建筑是設計師把建筑的美觀設計與結構設計相互密切配合的結果。房屋結構設計追求適用、安全、經濟、美觀和便于施工五種效果，來提高有限空間、有限資源的最大化效果發揮，實現經濟化、實用性和適用性的良好目標。而建筑結構設計優化方法的應用則既能滿足建筑美觀，造型優美的要求，又能使房屋結構安全、經濟、合理，成為實質意義上的“經濟適用”房。

1 結構設計優化方法的理論體現

在從事工程項目和結構的設計時，除了要考慮設計對象的基本使用功能及安全可靠性外，還應該考慮到把它設計對象設計得盡可能完美。這就是工程和結構的最優化問題。用科學的語言來描述就是：利用確定的數學方法，在所有可能的設計方案的集合中，搜索到能夠滿足預定目標的、最令人滿意的方案。

結構設計優化方法從建筑理論上分析，具體體現在房屋工程分部結構的優化設計和房屋工程結構總體的優化設計兩方面。后者的優化設計包括：屋蓋系統方案的優化設計、圍護結構方案的優化設計和結構細部設計的優化設計。穿插其中的，還包含選型、布置、受力分析、造價分析等項目，在實施過程中，還應該按照一切從實際出發的原則，結合具體工程的實際情況，圍繞房屋建筑的綜合經濟效益的目標進行結構優化設計。

建筑師在保證設計安全的前提下，應該敢于挑戰新的結構形式。在建筑結構設計的過程中，在基本滿足建筑師設計意圖的基礎上，平面布置應盡量規則，對稱，盡量縮小質量中心和剛度中心的差異；使建筑物在水平荷載作用下不致產生太大的扭轉效應。豎向布置上，在滿足功能要求的前提下，盡量使豎向承重構件上下貫通；能不使用轉換層的就應避免使用，以減小結構分析和設計上的困難，另外也不經濟，還容易造成應力集中；豎向剛度最好不要突變，而要漸變，否則突變處在水平荷載作用下會出現嚴重的應力集中現象，這對結構抵抗水平動力荷載是十分不利的。

2 結構設計優化技術的現實意義

建筑結構設計優化技術在房屋結構設計中的應用，可以達到“物美價廉”的效果，不但實現了房屋的美觀、實用，而且在節省造價方面也有突出的效果。每一個建筑商都希望，在滿足建筑結構長遠效益的前提下，最大程度地減少建筑結構的近期投資，同時保證建筑物結構的可靠度和科學合理性。如此，才能實現可持續發展，實現更多、更大的市場收益。

與傳統房屋結構設計相比，采用設計優化方法則可以使建筑工程造價降低6%～35%。優化方法的技術性實現，可以最合理的利用材料的性能，使建筑結構內部各單元得到最好的協調，并具有建筑規范所規定的安全度。同時，它還可為建筑整體性方案設計進行合理的決策，優化技術是實現建筑設計的“適用、經濟和安全”目標的有效途徑。

3 結構設計優化技術在建筑結構設計中的步驟

3.1 結構優化模型

房屋結構整體優化設計方法分以按3個步驟進行。首先，選擇設計變量。一般把對設計要求起主要影響作用的參數作為設計變量，如目標控制參數（結構造價C1和損失期望C2）和約束控制參數（結構的可靠度PS）；而將那些對設計要求來講，變化范圍不大或是根據結構要求或局部性的設計考慮就能滿足設計要求的參數等作為預定參數，這可以大大減少設計、計算和編制程序的工作量；其次，確定目標函數。尋求一組滿足預定條件的截面幾何尺寸和鋼筋截面積以及失效概率，從而使總費用最小；第三，確定約束條件。房屋結構基于可靠度優化設計的約束條件，則包括尺寸約束、結構強度約束、應力約束、變形約束、裂縫寬度約束、構件單元約束、結構體系約束、從正常使用極限狀態下的彈性約束到最終極限狀態的彈塑性約束、從可靠指標約束到確定性約束條件等。在設計中，要使結構優化設計應用于實際房屋結構工程，則是路房屋結構設計中實際的約束條件與目標約束條件相比較，保證各約束條件都符合現行規范的要求，以實現最優設計。

3.2 設定優化設計計算方案

房屋結構基于可靠度的優化設計問題屬于比較復雜的多變量、多約束非線性優化問題，在計算過程中，通常是將有約束優化問題轉化為無約束問題求解。可以利用的優化設計計算方法有復合形法、拉氏乘子法、Powell法等。

3.3 進行程序設計

根據基于可靠度的結構優化模型和選擇的優化設計計算方法，編制功能齊全、運算速度快的綜合程序。

3.4 結果分析

對計算結果進行分析，確定最優設計方案。

在執行以上步驟的過程中，必須要全方位、多角度考慮方方面面的問題。這主要是因為建設投資是一項耗資巨大的工程，涉及到的方面比較復雜，因此，必須進行總法規和考慮，不能僅僅為了節約資金投入而忽視了設計的優化作用。要正確處理技術與經濟的對立統一是控制投資的關鍵環節。設計中既要反對片面強調節約，忽視技術上的合理要求，使項目達不到功能的傾向，又要反對重視技術，輕經濟、設計保守浪費的現象。

總之，建筑結構優化設計方法的研究是一個非常復雜的綜合決策問題。適用、安全、經濟、美觀和便于施工是進行建筑工程設計的一般原則，而這5個方面各有所重，又互為矛盾，一個優秀的設計往往是這5個方面的最佳結合。我們需在實踐過程中多實踐、多探索，以最低的造價實現最佳的經濟效益，實現經濟、合理和美觀的設計要求。

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