建筑結構優化設計

汪濤

摘 要：建筑項目投資大，建設周期長，對其進行結構優化設計能夠有效的減少投資金額。建筑結構優化設計，是實現建筑本體功能與建筑投資成本的關鍵手段。因此，結構工程師必須在每一個工程項目的設計中都能做到不斷地探求自然法則，不懈地追求相對的最佳最優，要通過反思比較，在經驗積累中不斷提高自己的判斷力和創新力。

關鍵詞：建筑結構；優化設計；分析

一、建筑結構優化設計

1、建筑結構優化設計的基本理論

結構優化設計不應僅僅在結構本身，而應包括建筑的各方面，科學地確定建筑結構優化設計幾項基本原則并有效地按照這些基本原則去進行建筑結構設計，是非常重要的。建筑結構的優化設計主要體現在建筑工程的決策階段、設計階段、建設階段。在建筑工程的決策階段，確定結構優化設計所要達到的總體目標，滿足本體功能，最大程度保障安全性，縮減投資成本：在建筑工程的設計階段，確定每一個子系統及整體結構的優化布局；在建筑工程的建設階段，以結構優化設計為建設原則，組織建設好每一個子系統從而實現整體結構優化布局。決策階段結構優化選擇是關鍵，設計階段結構優化設計是核心，建設階段結構優化建設是基礎，3個階段互相驗證、互為補充、缺一不可。

2、建筑結構優化設計的基本要求

（1）功能性

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。

（2）安全性

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。

（3）經濟性

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。

二、建筑結構優化設計基本原則

1、提高建筑舒適度原則

所謂好的建筑，應是從建筑、結構、裝飾裝修到給排水、暖通、空調、燃氣、電氣安裝等各專業的優化設計組合，是整體優化設計，如果僅僅是某個專業設計得好，是不可能被稱作是一個好建筑的，結構設計也不能例外的；建筑結構設計要能最大程度地滿足建筑平面布置、內部空間高度和建筑立面等使用功能和外形觀感的要求，投入使用后，使用戶在工作和生活中感到很舒適，使建筑真正成為人人贊美的好建筑，這才是建筑結構優化設計的出發點和落腳點。因此，建筑結構的優化設計應包含結構體系的優選、傳力途徑的科學性、構件布置的合理性、構件和材料選用的正確性等內容；應該把盡可能提高建筑投入使用后的舒適度作為建筑結構優化設計的一條重要基本原則。

2、不同構件采用不同的安全系數的結構優化設計原則

由于現澆鋼筋混凝土樓板的約束作用，可以在很大程度上提高樓蓋梁的承載能力，最高時可提高約1.5倍。而現行國內結構計算軟件卻不能準確反映現澆樓板的這種約束作用，因此，按力學計算結果進行結構設計的話，對現澆樓蓋梁而言，它的安全系數就偏高了許多。另一方面，從對出現垮塌事故的工程進行事故原因調查和分析可以得知，由于樓蓋或樓蓋梁的問題而導致結構破壞的工程實例極少，除非是結構計算本身有誤；從許多震害調查的工程實例中也可得知，在地震力作用下建筑倒塌的主要原因，也大多是由于墻、柱等豎向構件首先遭到破壞所致。在實際的結構設計工作中，若不考慮構件的實際承載能力，對所有構件采取相同的安全系數，就會造成建筑結構在安全性和經濟性方面的不合理。因此，在結構設計時，對獨立構件、靜定結構和豎向構件應采用較大的安全系數，而對樓板和樓蓋梁的安全系數可予以適當降低，這樣處理既可以降低工程造價，又可提高結構的綜合安全度。

三、房屋建筑結構優化設計的措施

1、加強剪力墻的設計

剪力墻墻肢的試驗研究也表明，軸壓比超過一定值，很難成為延性剪力墻。影響壓彎構件的延性或屈服后變形能力的因素有：截面尺寸、混凝土強度等級、縱向配筋、軸壓比、箍筋量等，其主要因素是軸壓比和配箍特征值。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。

2、注重細部優化

（1）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。

（2）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

（3）隨著計算機技術以及結構優化設計理論的結合，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。

3、結構設計優化方法的應用

結構設計優化方法和技術的應用具體體現在房屋工程結構總體的優化設計和房屋工程分部結構的優化設計兩方面。其中房屋工程分部結構的優化設計包括：基礎結構方案的優化設計、屋蓋系統方案的優化設計、圍護結構方案的優化設計和結構細部設計的優化設計。對以上幾個方面的優化設計還包含選型、布置、受力分析、造價分析等內容，并應在滿足設計規范和使用要求的前提下，結合具體工程的實際情況，圍繞其綜合經濟效益的目標進行結構優化設計。

4、結構設計優化方法的實踐價值

筆者認為，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。同時，它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。

結束語：通過建筑結構的優化設計，是實現建筑本體功能與控制建筑造價成本的重要手段。另一方面，建筑投資者或開發商不能過分強調結構優化設計的經濟性，通過減少材料、降低技術、放低質量標準來追求經濟性，同時也反對一味重視技術要求、忽略經濟成本的做法。

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