建筑結構設計優化方法在房屋結構設計中的應用

喬玉善

【摘要】建筑結構設計能夠確保建筑的結構安全及穩定，通過優化結構設計，不僅能滿足基本結構設計的功能，還能更好的體現建筑物的經濟效益?；诖?，筆者重點論述了建筑結構設計優化方法在房屋結構設計中的具體應用，以期作為參考。

【關鍵詞】建筑結構；房屋結構；結構設計；應用

隨著我國經濟的不斷發展，人們生活水平不斷提高，人們對于居住環境的要求也越來越高。在進行建筑設計的時候，不僅要求建筑結構能夠滿足安全及穩定的性能，還要滿足經濟、實用和美觀的要求，因此就需要對建筑結構進行合理的優化設計。房屋結構優化設計首先應考慮到結構的實用性能，確保房屋的各個方位能夠滿足人們的基本生活需求；其次在滿足了人們的基本生活需求之后，應該綜合考慮安全、經濟和美觀等問題，確保用最少的投資實現最大的效用。

一、建筑結構設計優化概述

（一）建筑結構設計優化的基本理論

建筑結構設計優化，指的是在設計建筑結構時，要改變設計理念，應用科學、先進的設計方案篩選方式，選擇出在各方面都能達到最佳效果的設計方法。建筑物內部的結構十分復雜，要將建筑物的各個部分完美組合在一起，使建筑物發揮最佳的功能，并不是一件容易的事情。建筑結構設計優化，具體包括建筑物中各個部分結構設計的優化，以及建筑物整體設計結構的優化。在這兩個部分中，建筑物整體結構的優化顯得更為重要，因為整體是各個部分的綜合，在完善房屋功能方面發揮著更大的作用。具體來說，建筑物整體結構的優化包括房屋頂部設計的優化、房屋外圍設計的優化，以及房屋細節結構設計的優化。在這三個大部分中，還可以細分出型號選擇、布局設置、受力研究、價格衡量等較小的設計項目。在實際的結構設計中，設計者還要緊密結合建筑工程的實際情況，努力實現房屋建造的經濟效益、社會效益和環境效益。

（二）建筑結構設計優化的重要性

在房屋結構設計中采用建筑結構設計優化技術，不僅能夠實現建筑物的美學價值與實際使用價值，還能夠節約建筑成本、保護建筑物施工現場附近的生態環境。因此，恰當地運用這種結構設計技術，可以實現房屋建筑的綜合效益。與舊式的建筑結構設計方式相比，建筑結構設計優化方案可以使房屋建造的成本降低30%左右。采用優化的設計技巧，可以合理配置各種資源，充分利用建筑原料，并協調好房屋內部各個獨立的單元，使這些獨立的部分互相配合，共同發揮作用；采用優化的設計技巧，可以在創新設計方式的同時，確保建筑物的安全性能達到既定標準，保護人民的生命健康和財產安全；采用優化的設計技巧，還可以幫助建筑物結構的設計者認真規劃建筑設計方案，選擇最科學、最合理的設計方式，實現建筑結構設計的最終目標。

二、結構設計優化技術在建筑結構設計中的步驟

（一）建立結構優化的模型

第一，合理選擇設計變量 通常在對設計變量進行選擇時，我們把對建筑結構影響的主要參數作為設計變量。如目標控制的相關參數（損失的期望C2和結構的造價C1）和約束控制相關參數（結構的可靠度PS等）；然而還有一些影響不是太大，其變化范圍也不是很大或者由局部性以及結構的相關要求就能夠滿足相應的設計要求的一些參數，我們可以用預定參數來表示，這樣能夠使得我們的設計量、計算量以及編制程序的工作量均大大減小。

第二，確定目標函數 我們還必須尋找一組能夠滿足相關的預定條件的截面相應的幾何尺寸、鋼筋的截面積以及相應的失效的概率的函數，使得工程造價最少。

第三，確定約束條件 對于房屋結構的設計優化來說，必須在確保結構可靠度的條件下，來對優化設計相關的約束條件進行相應的確定。設計優化的約束條件主要包括結構強度約束、尺寸約束、構件單元約束、應力約束、裂縫寬度約束、結構體系約束、從可靠指標約束到確定性約束條件以及從正常使用極限狀態下的彈性約束到最終極限狀態的彈塑性約束等約束條件。我們必須對目標約束條件與實際的約束條件進行相應的比較與分析，再確保每個約束條件都必須滿足相關要求，以實現最佳的設計。

（二）對優化設計的計算方案進行設定

根據可靠度進行的房屋結構的優化設計具有多約束且非線性的優化問題以及復雜的多變量，在進行相應的分析計算中，一般把有約束的優化問題轉換成無約束優化問題的求解。常用的優化設計的計算方法有拉氏乘子法、復合形法、Powell法等。

（三）進行程序的相關設計

根據可靠度進行的房屋結構優化設計的基本模型以及所使用的優化設計的計算方法，可以編寫具有運算速度快以及功能齊全的綜合應用程序。

（四）結果分析

這一步驟在建筑結構設計優化中尤其重要，合理的選擇設計方案，不僅能夠確保結構的美觀、安全、合理以及實用，還影響著資金的投入。在結構設計優化中只強調經濟上的節約，而忽略技術上的相關要求，是不正確的；同樣只考慮技術上的要求，而不考慮經濟的要求，也是不合理的。我們必須對兩者進行合理的配置，才能達到相應要求。

三、建筑結構設計優化方法在房屋結構設計中的應用

（一）局部優化與整體優化

復雜性與層次性是任何一個項目建筑設計都具備的兩個特點。從復雜性方面來看，其主要包括零部件的選取、建筑原材料的選取以及結構類型的選取等內容。從層次性方面來看，其主要包括建筑的結構體系、設計體系以及安裝設計體系等，而在每一個體系之內又包括了很多個下屬體系。在設計房屋建筑的時候，設計人員應該優化各個下屬的系統，沖破各個布局間的橫向關聯，對工程進行疊加。因此，在設計任何建筑結構的時候，優化的著眼點都應該是整體而非局部。只有這樣，才能達到真正設計優化的目的。

（二）優化上部結構

在一般的高層建筑中，其結構體系主要是采用框架、剪力墻、筒體及框架—剪力墻、框架—筒體、筒中筒等結構體系。例如，小高層、中高層剪力墻住宅結構剪力墻的優化空間較大。剪力墻的布置，根據建筑功能要求和內部隔墻的分布，并按照“均勻、分散、對稱、周邊”的原則，以使結構整體有較好的抗側移和抗扭轉能力。合理調整結構構件截面，使抗震結構體系剛度和承載力沿豎向變化均勻，且受力明確，以提高結構的抗震性能。在滿足規范及計算的前提下盡量減少剪力墻的數量，限制墻肢長度，控制連梁的剛度，平面能布置成大空間的盡量布置成大空間，墻體的厚度滿足構造要求和軸壓比的要求即可。盡量少用短肢剪力墻，限制一字墻。

（三）協調優化結構與建筑

對房屋結構進行設計的時候，應該盡可能地對建筑的結構與整體平面的配合緊密予以有效保證，使得結構合理、造型美觀的效果可以有效的體現出來。對建筑墻與柱進行布置的時候，應該和房間平面的功能需求一樣，每個房間的開間與進深等都應該保持一致。盡可能地簡潔建筑系統，不可以讓柱與墻之間出現錯位的情況，而且每一層的截面面積與高度都應該是一樣的。

總之，建筑結構優化設計是一個復雜的綜合性課題，其基本原則是確保建筑的適用、安全、美觀與經濟，且要有利于工程實施。這五個方面在建筑結構優化設計中各有所重，并且之間存在著矛盾。因此設計者只有在實踐中不斷的探索，積累豐富工程設計經驗，才有可能設計出優秀的結構方案。

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