結構設計優化技術與其在房屋結構設計中探討

摘要：本文從傳統的結構設計與最優化設計比較出發，分析了民用建筑結構設計與經濟性的關系，重點探討了結構設計優化技術在建筑結構設計中的應用。

關鍵詞：結構設計；優化設計；房屋結構；質量

1 傳統的結構設計與最優化設計

1.1 傳統的結構設計

傳統的結構設計方法就是根據設計要求，設計師結合相關的工程，再依據自身的工作經驗，進行各方面的設計，從而得出可行方案，在這個過程中，可能會做出幾個可行方案，然后對這幾個方案就行比較，得出最適合的方案。這就是傳統的結構設計方法。

1.2 最優化設計

所謂最優化設計，其與傳統的結構設計所不同的是，它是用相同的設計規范、基本理論、計算公式、設計流程：經過設計修改設計，再校核直至得到滿意的結構方案。它是以結構的體積最小、重量最輕、造價最省為前提，通過數學運算求極值的方法，得到安全性與經濟性都最優的方案。

2 建筑結構設計優化方法的應用及實踐價值

2.1 結構設計優化方法的應用

結構設計優化方法和技術的應用具體體現在房屋工程結構總體的優化設計和房屋工程分部結構的優化設計兩方面。其中房屋工程分部結構的優化設計包括：基礎結構方案的優化設計、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。對以上幾個方面的優化設計還包含選型、布置、受力分析、造價分析等內容，并應在滿足設計規范和使用要求的前提下，結合具體工程的實際情況，圍繞其綜合經濟效益的目標進行結構優化設計。

2.2 結構設計優化方法的實踐價值

筆者認為，在滿足建筑結構長遠效益的前提下，應盡量減少建筑結構的近期投資并提高建筑結構的可靠度和合理性。與傳統設計相比，采用設計優化技術可以使建筑工程造價降低5％～30％。優化技術的實現，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、安全和經濟”目標的有效途徑。

3 民用建筑結構設計與經濟性的關系

3.1 結構設計與用地之間的相互關系

多層或高層住宅建筑中，總建筑面積是各層建筑面積的總和，層數越多，單位建筑面積所分攤的房屋占地面積就越少。但隨著建筑層數的增加，房屋的總高度也增加，房屋之間的間距也必須增大。因此，用地的節約量并不隨建筑層數的增加而按同一比例遞增。

3.2 結構設計與造價之間的相互關系

建筑層數對單位建筑面積造價有直接影響，但影Ⅱ向程度對各分部結構卻是不同的。屋蓋部分，不管層數多少，都共用一個屋蓋，并不因層數增加而使屋蓋的投資增加。因此，屋蓋部分的單位面積造價隨層數增加而明顯下降。基礎部分，各層共用基礎，隨著層數增加，基礎結構的荷載加大，必須加大基礎的承載力，雖然基礎部分的單位面積造價隨層數增加而有所降低，但不如屋蓋那樣顯著。承重結構，如墻、柱、梁等，隨層數增加而要增強承載能力和抗震能力，這些分部結構的單位建筑造價將有所提高。

3.3 高層住宅結構設計與經濟性之間的相互關系

住宅的層高直接影響住宅的造價，因為層高增加，墻體面積和柱體積增加，并增加結構的自重，會增加基礎和柱的承載力，并使水和電氣的管線加長。降低層高，可節省材料、節約能源，有利于抗震，節省造價。同時，除降低層高可以減少住宅建筑總高度，縮小建筑之間的日照距離，所以降低層高能也取得節約用地的效果。

在相同建筑面積時，住宅建筑平面形狀不同，住宅的外墻周長系數也不相同。顯然平面形狀越接近方形或圓形，外墻周長系數越小，外墻砌體、基礎、內外表面裝修等也隨之減少，并且受力性能好，造價會降低?？紤]到住宅的使用功能和方便性，通常單體住宅建筑的平面形狀多為矩形。

4 結構設計優化技術在建筑結構設計中的應用

4.1 直覺優化技術與建筑結構設計

對于同一建筑方案，可以有許多不同的結構布置設計；確定了結構布置的建筑物，即使在同種荷載情況下也存在不同的分析方法：分析過程中設計參數、材料、荷載的取值也不是惟一的：建筑物細部的處理更是不盡相同，這些問題是計算機無法完全解決的，都需要設計人員自己作出判斷。而判斷只能在結構設計的一般規律指導下，根據工程實踐經驗進行，這便是前面所說的概念設計。因此，概念設計存在于設計師對多種備選方案進行選擇的過程中。

4.2 概念設計處理的實際建筑設計問題

概念設計所要處理的問題多種多樣。但可以肯定的是希望通過概念設計，建筑結構能在各種不同的外部作用下不受破壞，或將破壞程度降至最低。因此，分析如何應付建筑物可能遭遇的各種不確定因素成為概念設計的重要內容。其中，地震作用最為難以琢磨，破壞性也最大。因此，建筑設計過程中就應該未雨綢繆，從計算及構造等各個方面都要采取一些有助于提高抗震能力的措施，不利于抗震的作法則應盡量避免。剛度均勻、對稱是減小地震在結構中產生不利影響的重要手段；延性設計則能有效地防止結構在地震作用下發生脆性破壞；多道設防思想能使建筑在特大地震作用下次要的構件先破壞，消耗一部分地震能量。這些抗震設防思想在整個設計過程中都應該作為概念設計的重要指導思想。

5 結論

結構設計優化技術是房屋結構設計的重要設計技術，作為設計師，必須合理有效的利用結構設計優化技術，將結構設計優化技術有效地運用到房屋結構設計中，讓房屋結構更加合理，安全。

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