建筑結構設計優(yōu)化方法在房屋結構設計中的應用

■胡文超 ■中國瑞林工程技術有限公司建筑設計研究院，江西 南昌 330000

房屋建筑的性能指標包括房屋建筑的安全性、耐久性、經(jīng)濟性和美觀性等、房屋建筑結構設計質(zhì)量的優(yōu)劣，關系到建筑物整體功能的發(fā)揮、改革建筑結構設計理念，優(yōu)化建筑結構設計方案不但是節(jié)約建筑成本，便于施工操作的具體措施，更是滿足人們對房屋功能的需要，為廣大民眾提供良好舒適的生活居住環(huán)境。

在滿足建筑結構長遠效益的前提下，應盡量減少建筑結構的近期投資并提高建筑結構的可靠度和合理性。與傳統(tǒng)設計相比，采用設計優(yōu)化技術可以使建筑工程造價降低5%～30%。優(yōu)化技術的實現(xiàn)，可以最合理的利用材料的性能，使建筑結構內(nèi)部各單元得到最好的協(xié)調(diào)，并具有建筑規(guī)范所規(guī)定的安全度。還可為建筑整體性方案設計進行合理的決策，優(yōu)化技術是實現(xiàn)建筑設計的“適用、安全和經(jīng)濟”目標的有效途徑。

1 房屋建筑結構設計中要重視概念設計優(yōu)化

房屋建筑結構的布置方案可能有很多種，對于統(tǒng)一建筑，可以選擇不同的結構布置方案、而對于已經(jīng)確定結構布置的房屋建筑，有與分析方法的不同，也會在考慮相同荷載作用的情況下選擇不同的分析方法。此外，房屋建筑的設計選用的設計參數(shù)指標，選擇用的建筑材料和荷載標準值得去法等都會對房屋建筑設計產(chǎn)生一定的影響，這些因素都有設計人員去決定，而設計人員的經(jīng)驗在此時就發(fā)揮了重要的作用，經(jīng)驗豐富的房屋建筑設計人員，在面對這些問題時，就會對房屋建筑的情況進行全面綜合的考慮，然后做出合理正確的判斷，選擇靈活的設計方案，這就是所說的概念的優(yōu)化設計。

2 房屋建筑結構設計中優(yōu)化技術的實際應用

2.1 第一階段

第一階段是變量的選擇通常情況下，對設計人員決定最終設計方案起到重要作用的參考數(shù)據(jù)，都可以作為變量供設計者進行選擇。如工程的目標參數(shù)包括房屋價格參數(shù)和預期產(chǎn)生的損失參數(shù);工程的控制與約束參數(shù)包括表示房屋架構可靠性能的參數(shù)等。

如果房屋建筑的設計者以變化幅度較小或考慮因素較少的參數(shù)作為設計的參考指標，那么相應的建筑結構設計。編程和計算有關工作難度將會降低，設計者也可以更好地找到符合優(yōu)化設計的參考數(shù)據(jù)。

2.2 第二階段

第二階段是對相關函數(shù)的確定。設計者要根據(jù)事先設定的房屋橫截面尺寸和鋼筋尺寸面積的那一組函數(shù)，從眾多組相似的參考函數(shù)中進行合理科學的選取，并分析這組數(shù)據(jù)函數(shù)的相關各種性質(zhì)，從而最大限度的降低房屋建造的成本費用。

2.3 第三階段

第三階段是條件的衡量。處于對增強房屋結構穩(wěn)定性和耐用性的考慮，房屋設計的約束指標應當包括房屋尺寸、架構剛性、受力限度和變形限度、結構的可塑程度和結構的確定程度等。

在實際的設計過程中，設計者應當結合房屋建造工程的具體情況，對施工實際中的約束性條件和目標確定的約束性條件進行比較和分析，確保各種條件都符合相關的建筑規(guī)定要求，從而實現(xiàn)優(yōu)化設計的目的。

選擇節(jié)能指標較高的結構類型。房屋結構形式的選擇，意味著選擇不同工程造價的建設模式，常見的結構設計模式有如下三種。

短肢剪力墻結構，這種結構形式常見于高層建筑，以混凝土結構技術規(guī)程為依托，這種結構形式相對于剪力墻的抗震級別要高，比起剪力墻，構造鋼筋使用數(shù)量不多。

框架結構，具有大開間、布局靈活性強和造價成本低的優(yōu)點，但這種結構抗震能力弱，柱截面較大，形成的柱角凸出部位會妨礙家具的布置。

框架—剪力墻結構，即在框架結構中合理進行一定數(shù)量剪力墻的布置，這種結構合理，適用能力強，而且能夠應對各種不同的變形壓力，是一種抗側(cè)力較好的結構。

3 房屋結構設計信息優(yōu)化技術

由于房屋建筑結構受到設計變量等條件的約束，難以用單一的方法進行結構優(yōu)化。鑒于房屋結構設計的復雜性，應該開發(fā)一種較為實用方便的參數(shù)定義優(yōu)化軟件，減少設計者在結構優(yōu)化方面的精力和時間。筆者較為推崇的是TBCAD 系統(tǒng)，這種系統(tǒng)是針對結構方案設計、建模、分析、評估等為一體的成本控制軟件系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以進行結構方案的指導設計，使得方案的人力、物力和財力資源等趨于最優(yōu)狀態(tài)系統(tǒng)的信息分為兩個時間段進行優(yōu)化，第一個時間段是通過對材料的分配調(diào)整，使用最少的混凝土用量滿足側(cè)向剛度的要求，系統(tǒng)在這個時間段的目標函數(shù)是混凝土的使用量，而結構構件的斷面大小則是設計的變量、第二個時間段是對構件強度的優(yōu)化，通過對構件結構的斷面大小以及鋼用量的調(diào)整，使得構件的強度要求實現(xiàn)只需較少的結構造價。

4 各種功能結構的優(yōu)化設計內(nèi)容

結構抗震的經(jīng)濟化設計，主要針對高層的房屋建筑，高層建筑的水平荷載結構造價占所有結構的絕大部分造價，在抗震結構設計中，抗側(cè)力結構是造價控制的重點內(nèi)容。尤其是在建筑物層高增加之后，抗側(cè)力結構的造價也會隨之增加。抗側(cè)力的結構必須進行合理選用，以便形成造價優(yōu)勢。

設計人員對房屋結構的設計要充分了解各種結構模式的抗震性能和經(jīng)濟指標，把握好房屋的體型、結構的體系以及剛度的分布等，針對抗震的薄弱環(huán)節(jié)通過抗震構造措施進行改善，將抗震結構設計的成本降到最低。

5 房屋建筑結構優(yōu)化技術應用注意事項分析

房屋建筑機構優(yōu)化技術的應用，需注意到前期的參與房屋建筑前期的設計方案直接影響建筑項目的成本，但是很多前期方案確定中卻不包括結構優(yōu)化設計技術，以致相關的設計人員在進行房屋建筑結構設計時，常常忽略建筑結構的和理性和可行性，這樣不但增加了機構設計的難度，而且使房屋建筑結構的設計成本也相應增加、設計人員在前期設計時要充分的融入優(yōu)化設計方案，節(jié)約建筑成本。

6 結構設計優(yōu)化技術在建筑結構設計中的應用

6.1 直覺優(yōu)化技術

直覺優(yōu)化技術與建筑結構設計對于同一建筑方案，可以有許多不同的結構布置設計;確定了結構布置的建筑物，即使在同種荷載情況下也存在不同的分析方法;分析過程中設計參數(shù)、材料、荷載的取值也不是唯一的:建筑物細部的處理更是不盡相同，這些問題是計算機無法完全解決的，都需要設計人員自己作出判斷。

6.2 概念設計處理

概念設計處理的實際建筑設計問題概念設計所要處理的問題多種多樣。但可以肯定的是希望通過概念設計，建筑結構能在各種不期而遇的外部作用下不受破壞，或?qū)⑵茐某潭冉抵磷畹汀?/p>

建筑設計從計算及構造等各個方面都要采取一些有助于提高抗震能力的措施，不利于抗震的作法則應盡量避免。剛度均勻、對稱是減小地震在結構中產(chǎn)生不利影響的重要手段;延性設計則能有效地防止結構在地震作用下發(fā)生脆性破壞;多道設防思想能使建筑在特大地震作用下次要的構件先破壞，消耗一部分地震能量。

7 結語

總而言之，利用結構設計優(yōu)化的技術方法可以滿足建筑產(chǎn)品的品質(zhì)要求不斷提高的目的，實現(xiàn)了人們對于居住條件及生活環(huán)境的要求不斷提高的需求，這也實現(xiàn)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，進行建筑結構設計符合現(xiàn)今建筑商對于建筑結構的效益的需求，也符合市場可持續(xù)發(fā)展的需求。

［1］周磊.建筑結構設計優(yōu)化方法在房屋結構設計中的應用.城市建設理論研究［J］.2012(06).

［2］康強林.談建筑結構設計優(yōu)化方法與房屋結構設計［J］.建筑工程技術.2013(07).