關于建筑結構優化設計的探討

葉丹

摘要：隨著社會主義市場經濟的發展，我國建筑事業逐漸發展，國家建立節約型社會理念的不斷深入，建筑的需求者與供應者都對建筑結構的優化設計提出了更高的要求。建筑結構設計逐漸形成了安全、經濟、適用、美觀、便于施工的原則。

關鍵詞：建筑；結構；優化設計

近年來，節能環保型社會建設理念的不斷深入人心，進一步加劇了建筑的需求者與供應者對建筑結構優化設計的需要。隨著我們社會經濟的迅速發展，工程投資者追求成本最低化的要求日趨緊迫化，因此必須采用有效地優化設計方法達到降低建筑成本的目的。

1.建筑結構優化設計的意義

1.1降低工程造價

為了達到結構優化設計的目的，工程設計人員必須在保證結構安全的前提下，通過對建筑結構的理性分析，采用合理的優化設計理念和方法進行優化設計，使得能有效地控制工程造價，滿足投資方的經濟要求。通過以往的優化設計經驗來看，相比于傳統的設計方法，優化設計通常可以達到降低工程造價5%～30%的目的。結構設計時應根據房屋的建造地點、層數多少、平立面體形，在滿足耐久性#安全性和舒適性要求的前提下采用經濟又合理的結構體系，在構件設計中應該精打細算，要嚴格執行規范構造要求，注意避免不必要的鋪張浪費。尤其是在地基基礎設計中更要注意此方案的經濟比較，因為地基基礎的設計方案是否合理對房屋造價非常重要。

1.2節約能源

建筑結構設計的環保性是繼經濟性之后的一大更高要求，建筑結構優化設計過程通過材料選用品種的環保、整體布局的環保來體現可持續的發展理念。在建筑資源的材料選用方面，在保證建筑本體功能性、安全性的基礎上，最大可能的選擇節能環保型材料，同時，在結構優化的整體布局中，不僅強調建筑主體內部結構的統一與環保，也包括建筑建設過程中廢舊材料的處理與應用，更不能忽略建筑未來使用過程中對環境產生的重要影響。另外，材料選用的環保、整體布局的環保也是結構優化設計過程中安全性的體現。

2.建筑結構設計的要求

2.1安全性方面的要求

住宅實行商品化后，應為住戶的耐用消費品，使用壽命長是區別其他消費品的最大特點"因此，結構耐久性和安全性是住宅結構設計最基本的要求"結構體系的選擇以及材料的選用，都應有利于抗風抗震，以及使用壽命期間改造維修的可能性"建筑作為人類生存的基礎生存環境，與人類的生產！生活緊密相關，安全性成為建筑結構優化設計的必然考慮因素"一味追求建筑結構的優化設計，忽略決策階段！設計階段！建設階段的安全性，其作為建筑不但沒有任何實際意義，反而會給人類正常生產和生活帶來致命的危害"因此，安全性是結構優化設計中的必然考慮因素"

2.2舒適性方面的要求

建筑是人類的基礎物質生存環境，建筑結構優化的終極目標就是為了滿足人類對物質生存環境的最大化需求。對功能性的滿足也不再局限于傳統的實用性功能，而是增添了舒適性、美觀性、協調性等多種新元素，滿足人類對基礎物質生存環境的更高要求。住宅建筑設計應為住戶起居舒適性的要求提供條件。

1.3經濟性方面的要求

建筑結構優化設計的經濟性是市場經濟條件下對資源配置提出的新要求。經濟性是指通過建筑結構的優化設計，最大化的節約各種材料資源，達到減少建設成本的目標。另外，各種材料資源都存在一定的稀缺特性，建筑結構的優化設計能科學合理的減少材料的使用量，節省建設材料使用成本。

3.建筑結構設計的措施

3.1選擇方案

加強設計中建筑結構形式的選用不同的建筑類別和功能要求決定了戶型的選擇，從砌體結構和底部剪力墻結構談起。加強砌體結構的設計。作為承重構件和抗側移構件的磚砌體，其平面布置較為靈活，但不宜做躍層結構，杜絕受力大的突兀結構形式。門窗開洞寬度不宜超過2.1m，縱向墻體數量不宜少于三道，這一措施可以適當減少構造柱的配筋。加強底部框架剪力的設計。底部框架剪力墻結構由于豎向抗側力構件不連續，使得設計中受力平衡容易出現問題因此對建筑平面的要求較為嚴格。承重墻盡量放在框架梁上，如果出現放在次梁上的墻體時，應加大該次梁、主梁、框架梁的配筋，加厚該處的樓板厚度。結構樓板不能隨便錯層，只有在樓板上填輕質材料實現的方式才可行。戶型設計中宜讓大房間布置在臨街面，衛生間、廚房等小房間布置在背面，這樣方便臨街面柱網的布置等。

3.2設計方案

剪力墻設計中連梁的設計是關鍵。聯肢墻是通過連梁連接的各墻肢聯結而成，從而增加了墻肢的約束條件。連梁的剛度增大必將使得結構的地震作用也增大，這樣連梁和墻肢分配內力也相應增大，此時必須增大構件的配筋量，顯然這一設計結果必然會造成材料的浪費。因此，在住宅結構設計時，有經驗的設計師都不會采用大剛度的窗下墻作為連梁，而宜將連梁設計成為截面、剛度較小的弱連梁。同時，在滿足結構剛度與變形要求時，應從經濟角度與抗力、變形方面綜合考慮，合理布置抗側力構件。顯然，剪力墻數量越多，結構抗側力剛度愈大，相應結構位移會減小，但是結構地震力會隨抗側力剛度增大而加大，對結構的造價控制不利。因此剪力墻應以周邊均勻、對稱、分散等原則合理布置，以規范規定的水平位移限值為準盡可能減少剪力墻數量。

3.3優化方案

在注重整體設計的同時，也應加強結構局部構件的精細設計。比如現澆板設計中盡量把異形板劃分為矩形板，這樣既達到合理受力的目的，也避免了拐角裂縫的出現。再者，底部框架抗震墻的底框梁箍筋配箍量一般較大，此時若選用冷軋帶肋鋼筋作為箍筋，便可減少箍筋肢數或箍筋直徑，達到造價的降低以及施工的方便化。還有，為減少底部截面，采用高強度的混凝土是柱構件不錯的選擇，但是水平構件混凝土可適當減少混凝土的標號，滿足了受力要求，也節約了成本。此外，隨著計算機技術以及結構優化設計理論的結合，基于計算仿真的優化設計思路已經在工程結構設計中得到了廣泛的應用。通過利用計算機分析軟件建立優化設計的分析模型，采用高效的計算機優化計算方法，設立結構設計達到的目標要求，最終實現結構設計的優化目的。在具體的優化設計過程中，優化設計實際上已經由一個工程問題轉變為一個數學問題。在大型復雜結構的優化設計中，基于這一思想的結構優化設計方法具有其他算法無法替代的優勢。因此，工程設計人員加強基于計算機技術的優化設計分析非常必要。總之，真正合理的優化設計思路一方面要節省工程成本，同時更應該提高建筑結構的安全等級，為了實現次目標，結構設計人員要充分利用結構設計的概念特點以及有效地設計分析方法，通過高效精細化的設計使得結構設計真正達到優化設計效果。

4.結語：

所謂結構優化設計，就是指工程結構在滿足約束條件下按預定目標求出最優方案的設計方法。在結構優化方面，合理的結構方案決定了整個設計的好壞成敗。因為對同一個建筑設計方案而言，結構設計不是唯一的，不同方案會使工程質量和工程造價產生很大差別。進行正確的結構計算，一體化計算機結構設計程序的應用和完善，幫助結構工程師能越來越輕松的進行計算分析，使得結構設計更加經濟和合理。要提高材料的利用率，因為結構設計的目的就是花盡可能少的錢，做最安全適用建筑，這就要求結構設計時對材料選用要合理，利用要充分"還有，要正確合理的運用和理解，其是我們設計中必須遵循的標準，是國家技術經濟政策，科技水平以及工程實踐經驗的總結。