建筑結構設計優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、經濟性和美觀性等、房屋建筑結構設計質量的優劣，關系到建筑物整體功能的發揮、改革建筑結構設計理念，優化建筑結構設計方案不但是節約建筑成本，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。與傳統設計相比，采用設計優化技術可以使建筑工程造價降低5%～30%。優化技術的實現，可以最合理的利用材料的性能，使建筑結構內部各單元得到最好的協調，并具有建筑規范所規定的安全度。還可為建筑整體性方案設計進行合理的決策，優化技術是實現建筑設計的“適用、安全和經濟”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化

房屋建筑結構的布置方案可能有很多種，對于統一建筑，可以選擇不同的結構布置方案、而對于已經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，而設計人員的經驗在此時就發揮了重要的作用，經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化設計。

2 房屋建筑結構設計中優化技術的實際應用

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據，都可以作為變量供設計者進行選擇。如工程的目標參數包括房屋價格參數和預期產生的損失參數;工程的控制與約束參數包括表示房屋架構可靠性能的參數等。

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化設計的參考數據。

2.2 第二階段

第二階段是對相關函數的確定。設計者要根據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，從眾多組相似的參考函數中進行合理科學的選取，并分析這組數據函數的相關各種性質，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定要求，從而實現優化設計的目的。

選擇節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，是一種抗側力較好的結構。

3 房屋結構設計信息優化技術

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化。鑒于房屋結構設計的復雜性，應該開發一種較為實用方便的參數定義優化軟件，減少設計者在結構優化方面的精力和時間。筆者較為推崇的是TBCAD 系統，這種系統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，這種系統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狀態系統的信息分為兩個時間段進行優化，第一個時間段是通過對材料的分配調整，使用最少的混凝土用量滿足側向剛度的要求，系統在這個時間段的目標函數是混凝土的使用量，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化，通過對構件結構的斷面大小以及鋼用量的調整，使得構件的強度要求實現只需較少的結構造價。

4 各種功能結構的優化設計內容

結構抗震的經濟化設計，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，抗側力結構是造價控制的重點內容。尤其是在建筑物層高增加之后，抗側力結構的造價也會隨之增加。抗側力的結構必須進行合理選用，以便形成造價優勢。

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，針對抗震的薄弱環節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 房屋建筑結構優化技術應用注意事項分析

房屋建筑機構優化技術的應用，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化設計方案，節約建筑成本。

6 結構設計優化技術在建筑結構設計中的應用

6.1 直覺優化技術

直覺優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、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，或將破壞程度降至最低。

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，利用結構設計優化的技術方法可以滿足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，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，進行建筑結構設計符合現今建筑商對于建筑結構的效益的需求，也符合市場可持續發展的需求。

［1］周磊.建筑結構設計優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.談建筑結構設計優化方法與房屋結構設計［J］.建筑工程技術.2013(07).