淺論建筑結構的優化設計

陳奕偉

【摘要】結構設計簡而言之就是用結構語言來表達建筑師及其它專業工程師所要表達的東西。用基礎，墻，柱，梁，板，樓梯，大樣細部等結構元素來構成建筑物的結構體系，包括豎向和水平的承重及抗力體系。把各種情況產生的荷載以最簡潔的方式傳遞至基礎。在當今這個講求低碳生活的環保型社會里，節約型的社會觀念已經深入人心了。因此，建筑的供求雙方都對建筑結構的優化設計這一環節提出了更高的要求。因此，對房屋建筑結構設計中建筑結構優化設計方法的提升變得越來越重要了。

【關鍵詞】建筑結構；優化設計；必要性；實例分析；注意事項

一、 為什么要進行建筑結構的優化設計

最近一些年來，由于人口壓力增大，土地資源變得越來越緊張了，土地市場的波動也發了一些變化。土地價格不斷上漲，不僅使土地開發商倍感壓力，也大大增加了住房消費者的經濟負擔。此外，隨著生活條件的不斷提高，人們對于居住條件和環境各方面的要求也不斷提高，順應這些潮流，建筑設計師們就應該利用房屋建筑設計中建筑結構優化設計的方法，開發有限的空間資源，發揮這些資源的最優效果，最終實現建筑房屋經濟實用性的最大化。

工程設計人員為了使建筑結構設計得到最優，必須以確保結構穩定為前提條件，然后通過對建筑結構進行合理分析，運用精準的設計理念和方法來使設計達到最優，從而更有效地掌握工程的造價，符合投資方的資金要求。借鑒先前優秀設計的經驗，我們可以看到，與傳統的設計方法比較，優化設計往往能夠使工程造價減少5%～30%。因此，要實現降低工程造價的成本的目的，在工程建設過程中，使工作人員對優化設計的設計的牢固掌握是很必要。此外把提高技術和經濟效益二者有效結合，通過不斷完善設計方案，實現工程造價最低，從而實現更大的社會效益。

二、 如何進行建筑結構的優化設計

結構的設計過程結構設計的階段大體可以分為三個階段，結構方案階段，結構計算階段和施工圖設計階段。方案階段的內容為：根據建筑的重要性，建筑所在地的抗震設防烈度，工程地質勘查報告，建筑場地的類別及建筑的高度和層數來確定建筑的結構形式（例如，磚混結構，框架結構，框剪結構，剪力墻結構，筒體結構，混合結構等等以及由這些結構來組合而成的結構形式）。確定了結構的形式之后就要根據不同結構形式的特點和要求來布置結構的承重體系和受力構件。

結構計算階段的內容為：首先，荷載的計算。荷載包括外部荷載（例如，風荷載，雪荷載，施工荷載，地下水的荷載，地震荷載，人防荷載等等）和內部荷載（例如，結構的自重荷載，使用荷載，裝修荷載等等）上述荷載的計算要根據荷載規范的要求和規定采用不同的組合值系數和準永久值系數等來進行不同工況下的組合計算。其次，構件的試算。根據計算出的荷載值，構造措施要求，使用要求及各種計算手冊上推薦的試算方法來初步確定構件的截面。再次，內力的計算，根據確定的構件截面和荷載值來進行內力的計算，包括彎矩，剪力，扭矩，軸心壓力及拉力等等。最后，構件的計算。根據計算出的結構內力及規范對構件的要求和限制（比如，軸壓比，剪跨比，跨高比，裂縫和撓度等等）來復核結構試算的構件是否符合規范規定和要求。如不滿足要求則要調整構件的截面或布置直到滿足要求為止。

三、建筑結構設計優化在房屋結構設計中的運用實例分析

某房屋工程為五層寫字樓， 總面積為6365 m2，長度為55.3m，寬為16.3 m，房間開間為4.7m， 走廊寬2.5m，層高為3.5m。以粉細砂層為基礎持力層， 凍土深度1.05m，地下水位埋深約5m，抗震設防烈度為9°。對于這個工程所運用的建筑結構設計優化方法主要是從建筑整體和分部結構兩方面實現結構設計優化。

3.1 房屋建筑整體的設計優化

要想使房屋建筑整體的設計達到最優，必須先塑造結構優化模型，再確定使用的最優計算方案和步驟， 隨后通過計算結構的科學分析的三個步驟來實現。第一步：（1）挑選并確定設計變量。設計變量通常挑選與建筑設計有著重要聯系的因素來作為參數， 而把其他對建筑設計影響較小的因素作為預定參數，從而減少設計的工作量；（2）制定優化設計目標函數；（3）確定模型約束條件。通常在樓房可靠度優化設計中， 其約束條件主要包括結構強度約束、應力約束、變形約束、裂縫約束、彈性約束等。第二步：在應用房屋結構設計優化方法時， 依附于可靠度的優化設計變量較多、非線性優化較多， 為使計算便捷， 可以將約束優化轉化為無約束問題來算，常見的計算方法有拉式乘法、Powell法等。依照優化模型與計算方法來制定計算程序。第三步：通過優化模型的確定和求解， 不難發現建筑結構設計中存在的一些問題，并通過不斷尋找解決問題的方法，深入優化建筑結構的設計，從而實現建筑結構的更安全、更適用、更經濟。

3.2 房屋建筑分部結構設計優化

高約幾十米的寫字樓， 抵抗地震的能力暫時定為7.5度， 為了達到抗震的目的，建筑基礎的設計應該采用短柱的形式。把臨近的兩條短柱中心間距的1/15當作建筑基礎拉梁的剖面長度。一般情況下，如果在建筑工程施工過程中，建筑高度相對比較低的時候，可以把鋼筋的使用數量降低到最低。然而，為了使房屋的抗震結構和建筑物梁柱的彎曲度與房屋上面的混凝土結構保持協調，就需要把基礎拉梁的設計作為最大。

3.3 鋼筋混凝土框架結構設計的優化

如果某一建筑使用的是鋼筋混凝土框架的結構體系，就需要運用標準的方法去實現建筑結構設計的最優化。在應經得知的建筑結構的截面的前提下， 采用限制性的分元法，對建筑物的整體結構進行物理受力方面的測試分析， 之后再對建筑結構進行分解，優化具體建筑物構建的各個部分，運用公式進行推算， 從而計算出建筑施工過程中建筑物所需要的鋼筋混凝土框架的最優化結構。

3.4 建筑結構計算周期設計優化

為了提高建筑物的質量，一般寫字樓都設計成輕薄的墻體，這樣就可以使建筑物的使用壽命和設計年限相等。此外，還要對建筑結構計算時間乘以折減系數0.6 ～0.7 進行折中計算。

四、建筑結構優化設計時應注意的事項

4.1 關于箱、筏基礎底板的挑板問題

從結構角度來講，如果能出挑板，能調勻邊跨底板鋼筋，特別是當底板鋼筋通長布置時，不會因邊跨鋼筋而加大整個底板的通長筋，較節約；出挑板后，能降低基底附加應力，當基礎形式處在天然地基和其他人工地基的坎上時，加挑板就可能采用天然地基；能降低整體沉降，當荷載偏心時，在特定部位設挑板，還可調整沉降差和整體傾斜；窗井部位可以認為是挑板上砌墻，不宜再出長挑板。雖然在計算時此處板并不應按挑板計算。

4.2 該注意前期參與

言，前期施工方案的確定會直接關系到建筑施工需要的總投額度，而現在往往是結構設計并不參與前期方案的制定。因為建筑設計師在進行建筑施工設計時，一般不會過多的考慮建筑結構的科學性和可操作性，但是建筑設計的結果卻直接影響著結構設計。此外，一些方案還可能會使結構設計的難度增大，并使得建筑施工的總投資增加。

4.3 結構的設計優化

在地基基礎的結構設計優化方面，首先要選擇恰當的建筑設計方案。如果建筑物為樁基礎，那么就要依據施工現場的地質條件對樁基的類型進行選擇，盡量降低成本。樁端支持力的部分對灌注樁樁長的選取很有借鑒意義，所以應該盡可能多的進行比較從而確定最適合的施工方案。

參考文獻：

[1]趙良恒. 房屋建筑結構設計的經濟性及優化技術應用探討[J]. 建筑，2014

[2]陶小林，楊楊. 淺談房屋建筑結構設計中的應用優化技術[J]. 科技創新與應用，2013