探析房屋結構設計中建筑結構設計優化方法應用對策

萬年春

（廣西宏亞設計咨詢有限責任公司（原廣西壯族自治區工業設計院）　廣西　南寧　530000）

探析房屋結構設計中建筑結構設計優化方法應用對策

萬年春

（廣西宏亞設計咨詢有限責任公司（原廣西壯族自治區工業設計院）廣西南寧530000）

隨著現代建筑技術的發展，為了讓建筑兼顧使用與美觀功能，我們在設計建筑結構時應該盡可能的使房屋的結構全合理，因此，整合和利用好資源，做好結構設計的優化工作很有必要。本文通過分析建筑結構設計優化的特點、要求和作用，介紹了在建筑結構設計中優化方法的過程，希望給予廣大同行以參考和借鑒。

房屋；結構設計；優化

引言

現代社會對建筑的要求不僅僅局限在質量方面，更加注重于房屋結構方面。在實際的操作過程中，需要我們利用結構設計優化方法，在有限空間有限資源發揮最大的效果，實現經濟、實用、適用的目標。在充分滿足人們對房屋結構的安全經濟要求下，滿足人們對建筑結構的美觀要求。所以，建筑結構設計優化方法對房屋結構設計具有重大的意義。

1　建筑結構設計優化方法的概念和特點

建筑結構優化設計方法是指把建筑結構設計方法和審美藝術學結合，在滿足施工方便性的前提下，把房屋的功能與建設全都包括在內的結構設計方法，再通過優化選擇全部可能性的結構設計方案來保證建筑質量和經濟性。通俗的來說就是通過設計使建筑結構達到近乎完美的效果。因此，建筑結構設計優化方法具有節能環保、質量安全性高、經濟性強以及便于施工管理的特點。

2　建筑結構設計優化方法的必要性

在建筑結構設計中，必須先解決如何實現建筑結構的長遠利益，在對結構設計的合理性做到盡可能的優化。與傳統的建筑結構設計方法相比較，優化后的方法能夠將工程成本降低10～ 35%，提高材料的利用率，全面發揮機械設備的性能，實現材料的資源優化配置，最大發揮對建筑材料的有效性，間接性的提高了企業的經濟效益。

3　建筑結構設計優化方法的過程

3.1建模型

數學模型在建筑結構的優化過程中起到舉足輕重的作用，合理的數學模型可以對原有的設計進行充分分析，使得設計結果更加優化。建模型的第一步就是對設計變量進行合理的選擇，主要選擇對建筑結構影響的主要參數作為設計變量，例如約束控制相關參數，目標控制參數。其他的一些變化較小的用預定參數來表示，這對減小設計量和計算量有很大的幫助。第二步是確定目標函數，為了使工程造價最小，必須找到一組函數能夠滿足相關的預定條件的截面相應的幾何尺寸、鋼筋截面積和相應的失效概率。第三步確定約束條件，主要的約束條件有結構強度約束、尺寸約束、裂縫寬度約束、構件單元約束、應力約束等。我們需要對目標約束條件與相應的實際約束條件進行比較分析，確保每個約束條件都滿足相關要求。

3.2設定計算方案

由于房屋結構的優化設計根據可靠度進行，具有多約束和復雜的多變量，因此，在經過優化的數學模型已經建立的情況下，需要及時有效的選取最科學的優化數學算法，例如復合形法、拉氏乘子法等，把有約束的優化問題轉換為無約束優化問題的求解。

3.3進行程序設計

根據選擇的模型和計算方法，編寫出一個功能多樣、反應速度快的綜合性應用程序。

3.4結果分析

對結果分析比較是必須進行的，從中選出最佳設計方案。這要求我們要放眼全局，全面考慮問題，不能只考慮經濟性而忽視技術性，也不能只考慮技術性而忽視經濟性，需要合理配置才能達到最佳狀態。

4　結構設計優化方法在房屋建筑方面的具體應用

4.1整體優化到局部優化

從層次性來說，建筑設計包含整體設計體系、安裝體系、結構相關體系等，這幾種體系之下又包含許多下屬體系，設計人員就需要對每一個很小的下屬體系一步步進行優化一步步疊加。從復雜性來說，建筑設計中的建筑材料以及建筑部件千變萬化，各種各樣。從整體到局部的優化才是最佳。

4.2壽命優化與階段優化

在建筑的使用壽命周期內的各個階段根據各個階段的特點以及實際結果進行科學的優化，既能提高經濟性又能提高適用性。

4.3科學優化上部結構

上部結構的優化一般通過建立相應的模型進行系統優化，首先剪力墻的整體質量是均勻的，使得樓層中平面剛度的中心點與樓層整體的結構重心重合，從而減少地震的危害。如果可以，對剪力墻主要采用大開間，增加墻肢的長度，減少墻肢的數量。

4.4樁基礎的優化

在地基基礎的結構設計中，需要根據工地的地質條件選擇相應的樁基類型，盡可能的減少工程造價，這里的樁基礎主要是灌注樁和預制樁，灌注樁施工時工序復雜，費時長，一般在沉降符合標準的前提下要加入預制樁的施工來簡化工序，但是，隨著樁基的加深，土壤與樁基的摩擦會越大，最好選用從長度較長的預制樁。

4.5結構優化和建筑優化

在建筑設計中，對整體來講，要保證重心、剛心、質心重合，防止發生扭轉效應。保證結構與平面的緊密配合才可以實現美觀與實用相結合的效果，墻體與支柱不能錯位，墻體的高度要與截面面積相通，在受力比較多的轉角需要采用高強建材承重來降低自重。

4.6結構優化與排水系統優化

通常建筑中排水系統的專用房間里的設備荷載強度較大，一般將其設置在地下室，保證預留管道尺寸與預留深度符合標準，如果架設管道時穿過承重墻，需要對墻體進行加固，保持結構與管道網之間的整體性，防止出現管道繞梁的現象。

4.7結構優化與電氣優化

安裝電氣管線是在金屬管體的外部以導線的形式安裝，這樣不利于預制結構的施工，所以如果想要管線穿過梁，就要預先在梁上預留孔洞，保證梁體的寬度與墻體的寬度一致。一旦不一致，必須使墻體的一面與梁體的一面對齊，確保管線不會漏在墻體表面。還有電梯需要單獨進行分析計算，以確保施工質量。

4.8概念設計結合細部結構設計優化

在數值比較抽象時，大多數采用概念設計。例如在對地震的烈度進行設防時，找不到與之符合的計算式，這時就要采用概念設計的方法把相應的數值作為參考依據。設計者在設計時必須對細部結構進行相應的優化，在滿足結構基本要求的條件下，達到安全又經濟的目標。

5　建筑結構設計優化方法的注意事項

建筑結構設計優化方法在建筑設計中占有很大的優勢，但這并不影響開發商以及建筑公司堅持質量第一的施工原則，萬萬不能因為追求藝術性和牟取暴利，利用減少建材、降低質量要求來獲得最佳施工設計方案。這是原則性問題，另外，計算滿足條件的構件并不能代表沒有優化的可能，一般會根據實際情況按照相關規范對結果進行核對，盡量把構件截面尺寸調整到最佳。由于仍存在結構模型的誤差、樓板剛度的影響、溫度、阻尼、基礎與上部結構的相互作用，結構設計優化方法還需要根據實際情況采用概念設計檢驗。

6　結構設計優化方法的理論體現

從理論上對建筑結構設計方法的分析可知，結構設計優化主要是房屋結構總體設計和分部結構的設計?？傮w設計主要是關于圍護結構以及屋蓋系統，設計時還要注意相應的布置、選型等問題，要根據工地的實際情況對建筑結構進行優化設計。對于設計者來說，在保證建筑結構處于安全標準下，創新出新的結構形式來適應時代的腳步。在結構設計中，應該盡可能避免使用轉換層結構來減少結構分析存在的難度。還要記得注意盡量減小質心與剛心的差距，建筑的平面要對稱規則，保證在水平荷載下的建筑不會產生較大的扭轉。對于豎直剛度要求剛度的變化為漸變，不存在突變，因為在突變的地方容易出現應力集中現象，導致建筑物抵抗水平方向的動力載荷作用減弱。

7　結語

通過以上對結構設計優化方法的問題進行討論，要想達到最終最優方案，需要各個方面的參與配合，設計人員要在原有的基礎上開拓創新，提高自己的知識水平，建筑方與開發商也不能過分注重經濟效益而忽略了建筑本應有的質量保證。對建筑整體進行科學的設計優化能夠保證建筑本身的功能，也能控制管理工程的資金投入，在整個房屋的結構設計中有著非常重要的地位，值得我們深思。

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TU318

A

1673-0038（2015）08-0024-02

2015-2-9

萬年春（1981-），男，工程師，本科，主要從事建筑結構設計工作。