試析建筑結構設計優化方法在房屋結構設計中的實踐

徐克銑 胡燕

【摘要】建筑的結構設計在房屋結構中的影響較大，結構的設計優劣直接關系到房屋的后續施工安全和房屋使用人的安全。建筑設計的優化方法主要對房屋結構的設計要求具有安全性，同時強調經濟性，降低建筑工程的成本造價。本文試對建筑結構設計優化的方法在房屋結構設計中的實踐應用做一探討。

【關鍵詞】建筑結構；設計優化方法；結構設計；實踐

建筑結構在建筑項目的總體費用較大，占建造工程款較大份額，通過對建筑結構進行優化設計方法，對節省建筑項目的費用具有較大經濟效益和經濟價值。良好的建筑結構設計需要設計人員對建筑的構架和建筑的設計進行美學上的相融合，建筑設計應在兼顧美觀性和經濟適用性、安全性等方面，進行房屋結構的設計工作。相關經濟設計師和有關建筑設計的單位應從既經濟又適用的角度出發，對建筑結構進行科學合理的設計，運用先進的科學手段，選擇適用的結構，充分實現房屋結構設計的經濟最大化，在相關設計時還應照顧到經濟與適應性、安全性。要充分利用建筑結構優化技術，在盡可能有限的空間和有限的資源中把建筑工程的質量提高上去，使房屋的結構優化設計能夠實現其安全性和適用性、美觀性的房屋建筑優化的目標。

1、建筑結構設計的優化方法

對于結構設計中，如果出現優化的變量減少，可用一些簡便方法進行計算。如圖解和解析方法，可在相關的設計空間內，計算可行域及其目標函數等值面，然后在圖形上找到可行域內，能夠使目標函數值達到最小的設計點位置，即可進行相關設計優化，在問題較為簡單時，運用解析方法可迅速解決。如果問題較為復雜，要從工程力學的觀點，對結構的優化設計進行計算，運用相關原理和準則，如同步失效準則和滿應力準則等，最后用迭代方式算出優化之后的解。

在優化設計實踐中，對優化設計的同步失效準則法進行設計，通過對荷載作用，把所有會發生破壞的模式能夠同時實現的結構作為最優結構。這種設計方式有很多顯而易見的缺點，因為會用到解析方式進行代數計算，這種優化設計只能用來對簡單的優化設計元件進行優化。如果約束數比設計變量大的情況下，就應該對破壞模式要同時發生再給出相關的優化設計，這種優化設計是較為復雜和困難的。如果設計變量與約束數等同，也不能保證所得到的解能夠最優。

在運用滿應力準則法時，能夠盡較大能力地發揮材料強度的潛力，在結構優化中是較為明顯的標志，主要是用桿件滿應力為準則來進行設計優化，在相關桿件系統中應用較多，在運用滿應力準則的基礎上，在復雜結構中發展了和射線步相結合的齒形法。

在結構優化的相關方法實踐中還可以用數學的規劃方法進行實踐設計。例如運用線性規劃，在目標函數以及約束方程的設計變量情況中，都是線性函數的解法較為容易，可用單純形法進行解出。如果目標函數以及約束方程的設計變量是非線性函數，那么就需要用非線性規劃解出，結構優化由很多都是約束的非線性規劃問題，此類問題較為復雜、難度較高。現在大部分情況主要有幾種類型，在只需要導數并不必作轉換的分析如可行方向的方法，也有不需求導數、也不作轉換，這種方法是直接進行搜索，稱之為復形法。還有一些用線性規劃進行逐次逼近的方法，例如序列線性規劃的方法，還要轉換成無約束極值的問題，進行求解的方法，例如罰函數法和乘子法。對于目前，還有一種方法為啟發式算法，這些算法在結構優化領域得到了一定程度的應用，如遺傳算法和模擬退火算法以及神經網絡的算法。同時，對混合法的規劃應用中，較為常用的方法是對數學規劃和準則法的同時使用。

2、房屋結構設計優化在實際中的意義

結構優化能夠在降低建筑總造價中具有重要意義，在結構優化設計中，通過比較高層與多層的住宅進行比較，會發現隨著層數的增加，在建筑總面值的增加中，單位建筑面積對土地占用面積就會越少，能夠節省大量的土地成本，但在建筑層數不斷增加，對建筑的高度也會相應增高，建筑物之間的距離就要有更大的間距。此時對于土地的節省與建筑物層數增加的情況相同。在屋頂的樓蓋部分，再多的樓層也只需一個屋蓋，不會因樓層的增加而增多，所以它的成本會明顯下降。對基礎部分來講，各層共用時隨著層數增加，基礎的荷載就會加大，必須進行基礎的增大，導致單位面積降低造價，卻無屋蓋的效果明顯。

結構優化設計的意義在于能夠提高建筑結構的經濟效益，通過建筑物的樓層的增多，對于墻體面積和柱體積增加，相應的輔助設施也會相應增加，其管道的鋪設也會增加，結構的自重增加。但如果對樓層減少，可減省相應的結構，還可有效抗震，建筑之間的日照充足，土地間接節省。在建筑的面積相同，建筑的不同平面的形狀不同，其外墻的總周長也會相應增加，如果選用圓形和方形作為外墻構造時，外墻的相對系數就會減小，對于外墻的相關墻體和粉刷、裝修變得經濟實惠，對建筑的相關經濟效益起到較大作用。對價值的經濟性得到了增強，這種優化技術能有效節省建筑的造價，使建筑工程的設計達到相應的標準和要求，符合房屋建筑結構的總體效益。相比與傳統的建筑結構設計，經過優化的房屋建筑設計不僅能達到其經濟和適用的要求，對房屋的美觀程度有較大的改善，而且節省了不必要的建筑工程開支。

3、房屋結構的設計優化技術應用實踐

在房屋結構的設計規則中，對于采用結構優化的設計方法，在目前建筑行業中應用較為普遍，在實際的運用中采取結構優化的設計方案，在適用性上達到相關設計要求并節省項目費用。通過在工程的設計前期和相關綜合的設計中合理采用結構優化設計方法，主要在舊房的改造問題、抗震性及其他的步驟上，在房屋結構設計優化的技術實踐中，應著重注意一些細節。

在結構設計優化的前期工作要注意，在前期的規劃中關系著建筑項目的總體需求，前期規劃沒有把結構優化融進去，一些建筑設計師并沒有在規劃房屋時把合理性和易于實現性考慮進去，結構設計會受制于建筑設計方案，一些規劃也會對結構設計提高其設計的復雜和難度，給建筑的成本增加了負擔。在進行設計優化時，對其結構設計的優化在前期的規劃融入進去，可根據建筑物的各種特征，選擇最優的架構，進行采取較為理想的設計方案，才能把結構設計優化好。

在概念設計能夠在沒有詳細數值的情況下廣泛地運用，例如在對抗震的預防方面，因為具有不定性，計算不可能避免和實際的情況存在一些差別，在房屋結構設計的相關工作中，運用概念設計的方法，把量值作為參考輔助。設計人員要有根據和針對性，科學地運用優化結構設計，以便達到較為理想的設計效果。

建筑在設計過程對掌握總體的架構之外，在其詳細的操作中還要對包括對細部結構的優化設計，例如異形板很容易在其角上留有縫隙，因此應當對其分割為方塊板。相關優化設計時要精心地選擇鋼筋，市場上的冷壓鋼和一級鋼幾乎沒有太大的差別，但其性能中的拉力閥值卻天差地別。要在具體工程的建筑要求的基礎上進行選擇，既要考慮到其經濟適用性，還要考慮到期質量安全性。

在地基的下部進行結構優化設計時，應要選擇較為合理的規劃做成樁基礎，另外，要根據施工場地上現場地質狀況進行相關的選擇樁基，然后較為節省地使用開支。在選擇灌注樁的樁長的時候要考慮到樁頂端抗力層，通過對比來選擇較為理想的結構設計規劃方案。

4、結語

優化的結構設計方案要比傳統結構方案使工程的造價節省5%到35%左右。通過對優化技術應用，實現較為合理科學的利用材料，達到建筑結構內部和外部的良好協調性能，使建筑物美觀、經濟，適用、方便，方便施工，在結構設計優化的方法在房屋的設計中，不但滿足建筑的美觀效應，而且滿足對建筑行業對房屋結構的經濟利益的訴求，適應激烈的市場經濟競爭。