結構設計優化在建筑設計中的應用

劉偉

（天津市長城建筑設計有限公司，天津 300041）

隨著我國改革開發的進一步發展，全國人民的生活都步入了小康時代。越來越多的人對物質生活要求也越來越高了，許多人都住進了高樓大廈。人口的繼續增長，使得建筑物越來越多，而土地資源有限，這樣導致土地價格越來越高，從而導致了建筑商的建筑成本也越來越高。降低建筑成本是建筑商首先考慮的方法，那么如何控制建筑成本呢？結構優化設計思想是目前國內外比較有價值的一套理論系統。運用該理論方法，實現人民對于居住環境和生活環境的改善，提高建筑產品的質量與品味，滿足小康社會人們對新生活的需求，同時降低工程建筑的造價成本，實現建筑商利潤最大化的目標，這具有適用、經濟、實用的價值。

1 優化的結構設計方法

社會上的建筑物都很令人賞心悅目給人以美的享受，這是結構設計與建筑實施技術相互協調、密切配合，從而達到美觀效果的結果。建筑結構設計我們都追求安全、適用、經濟、美觀、施工簡單等五種目標。文中的結構設計優化，能實現建筑設計技術優化的目的，能應用于實踐，它不但滿足了人們對建筑美觀、造型優美的要求，又能使房屋的結構設計合理、性能安全、建筑成本經濟，成為名副其實的“經濟適用”建筑。結構設計優化方法從建筑上來分析，它主要體現在優化設計的建筑工程結構和建筑工程結構的總體優化設計兩個方面。

第一個方面：建筑模型的優化結構設計方法。

一項大的建筑工程，先設計建筑模型，那么建筑模型的優化是十分必要的。建筑工程的結構優化設計主要包括：基礎結構方案的優化設計、圍護結構方案的優化設計、屋蓋系統方案的優化設計和結構細部設計的優化設計。除此之外，還需要做選型、布置、受力分析、造價分析等內容的優化設計。所有這些設計，都按照一切從實際出發的原則來進行，根據工程的具體實際情況，圍繞房屋建筑的綜合經濟效益的目標進行結構優化設計。在進行結構設計時，首先要滿足設計意圖后，盡量使平面布置規則，縮小剛度和質量中心的差異，這樣可以避免水平荷載與建筑物中太大的扭轉作用力。在豎直方向上應避開使用轉換層，減少應力集中現象。

房屋結構可靠度優化設計的約束條件，包括了應力約束、裂縫寬度約束、結構強度約束、尺寸約束、從正常時的極限狀態下彈性約束到終極狀態的彈塑性約束、從可靠指標約束到確定性約束條件等。在設計中，我們要保證各約束條件必須符合現行規范的要求。

第二個方面：建筑模型的優化結構設計的計算方案。

完成計算方案的設定后只需編制相應適用的運算程序即可得到我們的最終優化結果。然而，結構設計的優化涉及到多個變量、多個約束條件，這是屬于一個非線性的優化問題，在設定計算方案時，需要將有約束條件轉變為無約束條件來進行計算。建筑工程設計中常用的方法有Powell算法、拉氏乘子法和符合型等方法。利用這些方法來計算建筑模型的優化結構設計方案。

2 優化的結構設計技術在實踐中的應用

在設計好了優化的結構設計方案后，就可以將該理論方法應用于實踐之中。結構設計的優化，是目前一個比較普遍的課題，要達到利用結構優化的方法在不改變適用性能的前提下達到降低工程造價的目的，將結構設計優化方法應用于實踐之中，這是我們建筑工程設計人員所追求的目標。結構設計優化設計應用于項目的整體設計、前期設計，舊房改造，抗震設計等設計的各分部環節，發揮著巨大的效益。在按照結構設計優化的方法及模型進行實踐的過程中，要注意下面的三個方面的問題：參與結構設計優化的前期工作，將概念設計和細部結構設計進行優化，優化下部的地基基礎結構設計。下面就這三個方面進行詳細描述。

第一，參與結構設計優化的前期工作

因為前期方案的確定直接影響建筑的總投資，而現在存在的普遍問題就是前期方案階段結構設計并不進行參與，建筑師進行建筑設計時大多并不考慮結構的合理性以及它的可行性，但是建筑設計的結果卻直接對結構設計造成影響，某些方案可能會增加結構設計的難度，并使得建筑的總投資提高。如果在方案的初期，結構優化設計就能參與進來，那么我們就能針對不同的建筑類別，選擇合理的結構形式，合理的設計方案，獲得一個良好的開端。

第二，將概念設計和細部結構設計進行優化

概念設計應用于沒有具體數值量化的情況，例如地震設防烈度，因為它的不確定性，計算式難免與現實有較大的差異，在進行設計的時候就要采用概念設計的方法，把數值作為輔助和參考的依據。設計過程中需要設計人員靈活的運用結構設計優化的方法，達到最佳的效果。

第三，優化下部的地基基礎結構設計

地基基礎的結構設計優化首先要選擇合適的方案，如果為樁基礎，那么要根據現場地質條件選擇樁基類型，盡量節省造價。樁端持力層對灌注樁樁長的選擇影響很大，應多進行比較以確定最合適的方案。

3 優化的結構設計實際價值

結構設計優化在建筑設計中具有很重要的地位，首先使用結構優化的設計能降低建筑造價，其次進行優化結構的設計能提高建筑結構的經濟性。這些都具有實際價值。

第一，通過結構優化設計來降低總造價

進行結構優化設計中，多層住宅和高層住宅相比較，層數越多，總建筑面積增大，單位建筑面積占用的土地面積就越小，節約了用地成本，但建筑層數的增多，建筑總高度也會加大，樓與樓之間的間距也要加大，這時占用的土地節約量就不與建筑層數增加比例相同了。另如屋蓋部分，一棟樓只有一個屋蓋，并不會因為層數的增加而有所改變，它的成本下降會比較明顯。對于基礎部分而言，雖然也是各層共用的，但是層數增加，傳給基礎的荷載將會增大，我們需要增大基礎，這樣單位面積的造價有所降低，但是卻沒有屋蓋的效果那樣明顯。

第二，通過進行結構設計優化來提高建筑結構的經濟性

建筑的層高增加，由于墻體面積和柱體積增加，結構的自重會增加，基礎和柱的承載力相應增加，水衛和電氣的管線會加長；相反降低層高，可節省材料，有利用抗震，同時建筑的總高度減小，兩建筑之間的日照距離就會減小，間接的節約了用地。建筑面積相同，建筑使用不同的平面形狀時，它的外墻周長也就會不同，這樣當選擇圓形或是越接近于方形時，外墻周長系數就越小，基礎、外墻砌體、內外表面裝修都隨之減少，同時其受力性能也得到提高，增強了建筑的經濟性能。

結論

利用結構設計優化的技術方法，能提高有限的空間、有限的資源，讓其最大化的效果發揮，實現了經濟化、實用性和適用性的良好目標。滿足了建筑產品的品質要求不斷提高的目的，實現了人們對于居住條件及生活環境的要求不斷提高的需求，同時，這也實現了建筑商不斷尋求新的手段來滿足顧客的需求，達到降低建筑工程造價成本的目標。

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