淺述建筑結構設計中的優化措施

邊少鵬

【摘要】目前的建筑結構施工中，住宅房屋建筑結構設計是一個周期較長且內容復雜的過程。其中的影響因素很多，在建筑結構設計中，應綜合考量各方面的因素與條件，應用先進的設計理論、模式與方法，不斷優化設計方案，從而為工程項目建設提供必要的技術指導。

【關鍵詞】建筑結構；結構設計；優化措施

建筑工程的結構設計工作十分重要，它會對工程項目的整體質量產生直接影響。但是，通過調查發現，現今的建筑工程結構設計中，存在著諸多的問題，直接關系到建筑工程的使用，那么設計人員在建筑結構設計的過程中，就需要綜合考慮到多方面的因素，將其掌握的基礎理論知識充分的應用至各個設計環節中，保持積極認真的工作態度，勇于創新，認真研究和分析結構設計中的常見問題，針對這些問題找到合理的解決方案，不斷提高建筑工程的整體質量。

1 建筑結構設計的優化目的

建筑物除了其自身的使用功能外，其外形設計也要求能夠讓人們在觀感上賞心悅目。所以設計師在設計建筑物的時候，不僅僅要考慮到建筑物的使用功能，還要考慮到建筑物的外形設計。這就要求結構設計和建筑的施工技術能夠相互協調、配合。建筑結構設計的主要目標是安全、適用、耐久、經濟、美觀和易于施工。而所謂的建筑結構優化設計，就是在原有的建筑物工程結構滿足施工約束條件下，按照預設的目標找出最適合、最經濟的施工方案的設計方法。優化建筑結構設計不僅可以滿足人們對于建筑外形的美觀要求，還可以令建筑結構設計滿足經濟適用的內在條件，例如讓建筑物的結構設計變得合理、提高建筑物的結構安全性能、降低工程項目的施工成本等等。一般來說，優化建筑結構設計的主要內容主要是優化建筑工程的總體結構和建筑工程的部分結構。

2 建筑結構優化設計的要求

2.1 體現綠色設計內涵，滿足環保理念

近年來，國家大力倡導在每一個行業內普及節能、環保理念，同時也依照各行業發展的現實狀況，分別出臺、制定了多種建筑節能政策及規程。在建筑結構設計的優化環節，可采用節能的原材料，從建筑結構的整體框架統籌規劃、宏觀布局，彰顯其環保成效，最為典型的措施包括給排水硬件設備的優化以及門窗材料的環保化等。在這期間，也不可避免地產生施工廢料及垃圾，需運用最為綠色、環保的方式加以處置，減少對環境的“二次污染”，盡量循環利用。

2.2 控制結構優化設計的經濟性

如今，在建設資源節約型社會的新形勢下，建筑結構優化設計的經濟效益已與質量效益有機聯系在一起。建筑結構優化在設計中，既要統籌質量與安全性能，也要有的放矢地控制建設成本，最大限度地降低資金投入。從這個視角上看，優化設計需堅持技術先行的原則。

2.3 將各種安全要素考慮周全

建筑結構在優化設計時，一個最起碼的要求便是安全性。倘若只在結構的功能性、經濟性等方面狠抓嚴控，但忽略或降低了建筑結構的整體安全性能，那么這樣的設計也是片面無效的，甚至還有可能前功盡棄。基于此，要將各項安全要素考慮在內，同時嚴格把控好建筑結構的質量關和安全關。

2.4 滿足結構優化設計的功能需求

從本質上看，建筑結構優化設計是為業主提供最優質、最舒適的生活環境條件。伴隨

社會經濟的持續、快速發展，人們消費水平日益提高，群眾對于建筑設施的功能需求也與時俱進。為此，追求建筑設施的和諧美觀、高效實用無疑是結構設計優化的一大要求。

3 建筑結構設計方案優化的主要內容

3.1. 建筑物結構周期性的折減系數

對建筑物的框架結構和頂蓋等結構的設計中，計算周期一般會比實際周期大，因為在施工時，由于填充墻體的存在會導致結構的實際表現剛度大于設計剛度。所以一旦計算出建筑物的結構剪力偏小，會導致建筑物的部分結構安全性能降低，這時候就需要對建筑物的結構進行適當的周期性折減計算。但對于建筑物的框架結構是不適合進行折減計算或把折減系數取小的。

3.2. 優化建筑物耐久性設計

在很多混凝土的結構設計中都沒有全面、綜合地考慮到建筑物的耐久性，從而導致有許多建筑設計都未能達到當初的設計目標。當建筑物的設計者遇到建筑物的其他使用功能要求或是施工技術指標上升為設計建筑物的主要矛盾時，設計師就要放棄建筑物對經濟的單純追求，這時候往往需要根據建筑物設計所需要解決的重要性問題，挑選出適合的目標來進行優化，才能達到滿意的優化建筑結構設計方案的效果和目的。

4 住宅建筑結構設計優化的方法

4.1. 結構優化模型的建立

在進行結構優化設計的過程中首要的問題是要根據實際的結構特性設定成為相關的結構設計參數，主要的有目標控制參數和約束控制參數。對于那些變化范圍比較小的，且在結構的局部加強就能滿足要求的部分參數，將其確定為預設參數，從而減少計算的工作量；對于目標函數，是要找到一組可以滿足預定條件的鋼筋截面積和截面的幾何尺寸，目標是要讓總造價最小。對于約束控制函數，包括前度和穩定約束、截面尺寸約束、結構整體約束、構建單元約束、正常使用狀態的上下限約束條件等。參數的設計必須要與實際情況和規范相符。

4.2. 結構優化設計的計算方法

在結構優化設計計算方案的確定上，考慮到建筑結構的復雜性帶來的變量多、約束條件多且非線性，因此在計算過程中，一般的做法是先將有約束的優化問題轉化為無約束條件再進行求解，可選用的計算方有拉式乘子法、復合形法等。結構選型、尺寸和參數設計完成后，在計算方案的基礎上設計優化程序。并在得到計算結果后，對結構進行綜合分析，最后確定最合理的結構優化設計方案。

5 住宅建筑結構設計優化的應用分析

5.1. 結構優化設計的前期參與

建筑是相對長期的投資，常見的建筑使用年限均在 50～100 年間，這就要求結構能夠保證在設計使用年限內，建筑能夠保持基本的使用功能、良好的空間環境。因此，要在建筑方案設計初期就加入結構優化的考慮。這樣可以有效避免出現結構不合理、工程造價高等問題。也就是說，在建筑方案的設計初期就加入結構的優化設計，是提高建筑利用率的有效方法。

5.2. 結構的概念優化設計

一幢建筑的完成，可以有多種不同的結構設計方案；另外，對于同一種結構設計方案，采用不同的結構荷載、材料和分析方法以及參數的不同取值所得到的結果也是有較大區別的。這些都無法通過計算機自身實現內部系統優化，需要結構設計人員作出合理的選擇，根據實際工程經驗來進行參數的確定。通過概念優化設計，可以初算建筑結構在各種外力荷載的作用下的內力分布，以及將所有不利的荷載集中加載時可能出現的各種破壞形式等，如建筑結構在地震荷載作用下的破壞情況等，得到初算結果后，就可以作為下一步結構深化設計的有力依據，采取合理的結構形式，選用有效的建筑材料及構造措施，從而降低剛度不均勻、結構不對稱等不利于結構整體抗震的現象。因此，對建筑設計方案進行結構優化設計，在地震等自然災害發生時，就顯得尤為重要。

6 結語

住宅建筑是目前建設數量最多，建設頻率最高的一種工程項目，其結構的優化設計具有較為深遠的意義。對于高層住宅迅速發展的今天，結構設計更突顯出其重要性。結構優化設計的目的是讓建筑在設計年限內能夠更好的發揮其作用。本文也指出了結構工程師在實際工作中如何運用結構理論知識來優化設計方案。總之，結構優化設計是在堅持科學發展觀、充分利用有限資源的基礎上提出的，是符合建設節約型社會的總體需要的。

參考文獻：

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