論述結構設計優化在建筑設計中的運用

鄭龍飛

（深圳中海世紀建筑設計有限公司南昌分公司）

論述結構設計優化在建筑設計中的運用

鄭龍飛

（深圳中海世紀建筑設計有限公司南昌分公司）

本文首先闡述了優化設計的內容，并對住宅建筑結構的設計優化方案進行總結，幫助明確結構設計中的重點技術。其次對優化結構設計技術應用過程進行探討，整理出優化設計對建筑行業的促進作用。科學運用設計優化技術，可節省工程造價成本，使用階段更安全穩定。

結構設計；建筑設計；設計優化

1　建筑結構設計方案優化的主要內容

1.1建筑物結構周期性的折減系數

建筑結構規模與承載力之間有著必然聯系，在對結構進行優化時首先要明確折減系數，在結合工程整體承載需求，適當增減結構厚度。結構優化設計可節省建筑材料，折減系數則起到約束作用，通過函數周期計算來確定最終建筑結構的規模。承載重力時建筑結構內部會形成應力，用來保護鋼筋與混凝土材料的完整度。計算過程中若系數與規定標準存在出入，則要對結構設計進行優化，并反復計算，直至最終結果在規定范圍內。

1.2優化建筑物耐久性設計

建筑物投入使用后需要承載來自不同角度的壓力，混凝土結構內部鋼筋材料長時間處于作用力之下會逐漸發生彎曲，壓迫周圍混凝土材料使之形成有害裂縫。上述問題會嚴重影響建筑物的使用年限，因此在設計過程中要對承重結構進行優化。可通過改變承重方式來提升使用年限，在結構內部設置預應力，可與剪力相互抵消，使建筑物處于平衡狀態，使用時間也因此得到增長。適當增大修筑材料強度可提升耐久性，這是設計工作中最直觀的方法，但施工成本也會因此而升高，并不會最科學的措施。在設計過程中可同時對材料與結構規格進行優化，滿足工程需求同時還可以節省成本支出。

2　住宅建筑結構設計優化的方法

城市建筑以住宅用途居多，通過結構設計優化可為使用者提供更大的居住空間。開展優化前可通過計算機設備對建筑結構進行模擬，將各項數據輸入其中觀察計算結構，可作為設計工作開展的參照標準。下面詳細介紹結構建模優化方法：

2.1結構優化模型的建立

建立模型前要將方案中涉及到的數據輸入計算機中，按照比例將結構縮小。承重結構的橫截面積是重點計算部分，一些細小結構計算結果要完全表現出來，不可省略小數。也可將函數公式與坐標向結合，使結構規格與承載成立以圖表的形式展現出來，優化過程也更直觀。開展結構優化前設計人員要明確工作目的，在滿足承載需求的前提下最大限度的降低造價成本，也可分步驟進行，先對整體結構進行設計，成型后再計算細節中不合理的部分，逐次進行整改。建筑結構常規狀態與使用階段存在一定差別，設計工作要考慮全面，保障承重時結構不會發生形變，為工程建設打下堅實基礎。

2.2結構優化設計的計算方法

結構優化計算過程復雜而繁瑣，會同時涉及到數學公式與力學原理，要求技術人員具備結構涉及經驗。計算時要明確先后順序，可先確定折減系數，結合數據分析結構規格范圍，再將未知量代入方程中求解。當需要求解的量過多時，可使用組合公式進行計算，并觀察函數坐標中的動態關系，竟可能減少材料使用量。設計優化要從多方面體現，在設計過程中可將多種方案進行對比，分別判斷各項規劃在施工現場的可行性。

3　優化的結構設計技術在實踐中的應用

建筑設計受多種條件制約，設計方案是否具有可行性需要通過實踐來檢驗。建筑物投入使用后基層需要承受自重，地區發生的自然災害也會對結構完整程度造成影響，因此建筑結構必須具備抗震能力。優化設計時將建筑工程使用中可能遇到災害種類進行模擬，計算出方案抵抗災害的能力。結構設計優化不單是在建設前期，也可對使用中的建筑物進行加固處理。混凝土結構長時間承載壓力很容易出現有害裂縫，潮濕氣體便侵入到鋼筋材料內，氧化后的鋼筋承載能力會有明顯下降。對這部分建筑結構進行優化時要將原有的應力加入其中，計算得出具體施工方案，可延長建筑物使用年限。

3.1參與結構設計優化的前期工作

結構設計優化進展情況關系到工程是否可在規定時間內完成，因此準備工作必須要充分。構件模型時結構承載能力可能已經達到最優，但實際建設階段受場地條件限制很難開展，需要對其做出整改，不但延誤了工期，工程質量也會因此而降低。管理人員在此階段要制定出完善的工作計劃，避免在工程開展時出現差池，優化方案中還要體現出成本節約控制，具備一定靈活性，在應用階段遇到阻礙，可在第一時間做出變動，并不會對工程進展造成影響。

3.2將概念設計和細部結構設計進行優化

抗震能力檢測屬于模擬測試，發生強度也是不確定的，在設計時將這部分功能劃分在概念優化中。計算時可不必精確到每個細節，可查閱地區以往災害發生情況，保證小地震建筑物破損部分可通過修補復原，繼續投入到使用中。大規模地震中要保障建筑整體結構不出現坍塌，為救援爭取更多的時間。這也是結構優化設計的主要內容，技術人員在設計時要大膽創新，通過優化結構來實現使用功能，但造價成本并不會因此而增大。

3.3優化下部的地基基礎結構設計

基層結構屬于承重部分，開展施工前會對基層進行夯實加固處理。基層承重結構以樁柱和墻體形式呈現，設計時要考慮剪力墻對內部空閑完整性的影響，可選用連續墻來承載重量，修筑的跨度不易過大，可節省建筑材料。不同施工場地基層堅實程度也存在差異，可設計不同的方案進行比較，提升基層結構使用性能。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。

4　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。

4.1通過結構優化設計來降低總造價

結構最優形式會在規模上進行縮減，在此基礎上開展的設計工作必然會體現出成本節約性。在基層承重能力允許的情況可增加建筑物總高度，可劃分出更多的樓層，使土地得到有效利用。建筑物使用階段需要專門的空間用來儲備供配電設備，優化設計時可將其安放在閑置的空間內，即保障了結構的完整度，還可為工程團隊帶來更大的收益。傳統建筑設計中，將工程承載能力方在首位，單純的增加材料強度，使成本被增大，同時建制物的自重也會隨之增大，間接降低了承載能力。這種方法并沒有體現出科學性。結構設計優化打破傳統里面，大量引進新型技術，施工過程更簡便，減少不穩定結構的產生概率。

4.2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。

5　小結

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。

[1]景毅.建筑結構設計優化方法在房屋結構設計中的運用分析[J].科技資訊，2014（09）.

[2]王廣斌，向乃姍.多學科設計優化在建筑工程設計中的應用[J].東南大學學報（自然科學版），2010（11）.

TU318

A

1673-0038（2015）36-0054-02

2015-8-15

鄭龍飛（1988-），男，助理工程師，本科，主要從事建筑結構設計工作。