芻議房屋結構設計中建筑結構設計優化方法的應用

周宏偉

(淮安市建筑設計研究院有限公司，223600)

近年來，由于土地價格市場的變化，不斷上漲的土地價格給開發商的建筑總成本控制帶來了極大的壓力，同時，人們對于居住條件及生活環境的要求不斷提高，相應建筑產品的品質要求也就不斷提高，這就讓開發商不斷尋求新的手段滿足顧客需求，而降低工程造價就成為開發商追求的直接目標，這就需要我們利用結構設計優化設計技術方法，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。

1 房屋結構設計中建筑結構設計優化方法的概念

建筑結構優化設計方法的具體內容為：

1.1建設優化數學模型。在建筑結構的優化設計過程中，數學模型在其中可以發揮巨大作用，因此，通過建設一個科學合理的優化數學模型可以實現對原有的設計進行分析的目的，從而可以使設計結果更加優化。

1.2滿足建筑質量安全。一般來說，建筑結構優化的目的是滿足房屋建筑的基本功能需求和舒適度要求，滿足建筑質量安全和美觀度要求，對房屋建筑結構造價進行控制。根據建筑設計的總體要求，結構設計要盡量減小質量中心和剛度中心的差異，保證建筑在水平荷載的作用下不會產生很大的扭轉效應。建筑平面結構盡量采用對稱和規則方式，在滿足建筑相應的功能條件下，使豎直方向上相應的承重構件保持上下貫通。

1.3選取最科學的優化數學算法。當在第一步已經建立優化的數學模型之后的情況下，這時就需要最科學合理的優化數學算法和優化迭代控制來解決接下來所遇到的問題，在第二步的過程中，設計者會面臨著重要的選擇，那就是要在多種優化數學方法中能夠及時有效地選取最科學的優化數學算法，從而實現最優化的設計效果。

2 房屋結構設計中建筑結構設計優化方法建立模型的步驟

系統結構優化設計模型是選擇結構中影響變量的主要參數來建立相應的函數模型。這種模型的建立能夠運用科學、合理的計算方法得出較好的優化方案。建立模型需要劃分為三個步驟。

2.1確立設計變量參數。變量的選擇對最終設計方案的確定有著重要的數據參考意義。建立模型首先要對設計中變量的參數進行篩選，選擇對總體結構有較大影響，變化幅度小，考慮因素少的參數錯位參考指標，降低結構設計、計算的工作難度。

2.2確定相關目標函數。然后對工程中各種參數進行按照重要性進行屬性劃分，將影響不大的參數定為預定參數，減少函數模型中的計算量。確定目標函數后，找出符合條件的最優解。然后根據房屋結構的應力約束、結構強度約束、裂縫寬度約束等一系列約束條件進行優化設計，保證結構的合理性。

2.3衡量條件。系統結構優化設計方案涉及到多個變量和多個約束條件，可變較大。約束條件包括房屋尺寸、架構穩定性、受力限度、變形限度結構可塑性程度等，設計者要根據房屋建造規條把施工的約束條件和目標確定的約束條件進行比較和分析，保證各種條件符合相關規定，實現優化設計。在設計優化的過成中要化繁為簡，將約束條件轉換成約束條件進行計算。計算方法常有符合型法、以及Powell 法等。計算的過程中編制相應的運算程序進行輔助優化，最終得到最優化的結果。

3 結構設計優化技術的實踐應用

結構設計優化方法應用于實踐之中，是目前一個比較廣泛的課題，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。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，要注意下面的幾個問題。

3.1結構設計優化應注意前期參與。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。

3.2下部地基基礎結構設計優化。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。

4 房屋結構設計中建筑結構設計優化方法的意義

4.1優化設計，保證結構功能性。結構優化設計能夠根據工程的需求對結構造型、受力性能、結構材料等進行優化配置。比如選擇圓形、方形的結構進行方面平面設計能夠增加結構的受力性能。因此，工程結構的優化技術，是工程實現既經濟又安全，既美觀又實用的途徑。

4.2節約造價。建筑工程造價控制是保證企業經濟利潤的關鍵因素。結構優化設計能夠降低15%到30%的工程造價，具有實際的經濟性。房屋建筑大多是多層建筑，甚至很多都是高層建筑，層數的增加會因為建筑面積的增加而增加投資。層數增加對結構承載力的要求也隨之增加，為了保證結構的安全性，承重墻、梁、柱的承載等級和抗震性能都要隨之增加，因而提高了房屋的造價。合理的結構設計能夠根據建筑結構的空間和層面，增強結構的各種性能，結構設計受力性增加、抗震性增加不斷可以減少結構所需物料，還能減少基礎和裝修物料，達到統一協調的目的，實現了結構的經濟安全。

5 房屋結構設計中建筑結構設計優化的注意事項

選擇合適的結構類型。不同的房屋建筑工程由不同的結構形式。常見的類型主要包括短肢剪力墻結構、框架結構、框架—剪力墻結構。這三種類型各具特色、各具優缺點，在選擇類型的過程中要充分結合房屋功能需求以及工程的經濟能力，在保證質量的前提下平衡投資和收益，保證工程利益的最大化。短肢剪力墻結構大多運用于高層建筑中，主要特點是以混凝土結構技術規程為依據，對鋼筋數量要求不高，對剪力墻抗震要求較高; 框架結構對空間的優化效果最為顯著，空間大、不僅靈活、造價低。但是抗震能力較低，柱截面較大，形成的柱角凸出部位會影響家具的擺放; 框架—剪力墻結構是合理布置一定數量的剪力強，有較好的抗側力，還能增強適用性和合理性。

6 結束語

建筑結構設計過程中進行合理的結構選型和布置對整個建筑工程是否能保證安全、經濟、適用都非常重要，一定要對整個結構體系的承載能力、抗震性能、內力傳遞、剛度、側移要求等掌握透徹，才能實現結構設計安全性、合理性、經濟性的整體最優實現。建筑結構設計優化方法可以使房屋更加堅固美觀，能夠滿足人們對建筑產品的品質要求不斷提高。

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