房屋結構設計中設計優化的運用分析

唐 陶

（合肥都市規劃建筑設計事務所安徽 合肥 230000）

房屋結構設計中設計優化的運用分析

唐 陶

（合肥都市規劃建筑設計事務所安徽 合肥 230000）

目前房屋建筑行業的成本消耗非常大，結構設計和造價的優化勢在必行，既能保證房屋的安全性，也可以有效的節約成本。本文對房屋結構設計中的設計優化及其運用進行了淺要的分析，對優化設計進行舉例，并且闡述了設計優化的必要性和意義。

房屋結構；設計；優化

引言

經濟基礎決定上層建筑。隨著我國經濟和社會的發展，房屋建筑行業的發展勢頭逐步攀升，其競爭力也就越來越大。房屋建筑行業的造價在其經濟比重中分量很大，若能在初始的結構設計環節進行優化，使得房屋建筑的全部資源得到更優化的使用和配置，這樣既能提高自身實力，更重要的是，能夠響應國家號召，節約資源，優化成本，提高房屋安全度和使用性，實現資源的最大利用率。

1　結構設計優化的原則

主要體現在結構的概念設計環節，結構方案的選擇上。

（1）為避免結構的扭轉效應以及層高突變對結構產生破壞，造成結構布置不規則從而導致房屋安全性較差，應使結構的抗側移剛度和質量重心盡量靠近，優先選用平面和豎向布置規則的結構設計方案。

（2）因為傳力過程復雜從而使結構構件出現多次、多級的轉換，導致結構容易疲勞，從而產生安全問題，相應的工程造價也會提高。因此在設計環節應該盡可能使結構的傳力和受力直接、簡單。

（3）結構的抗震承載力、延性以及抗側移剛度是非常重要的力學性能指標，所以抗震概念設計應該成為結構設計的主要任務，在特點的平面和空間中配合結構和構件的性能達到最佳的受力狀態。

（4）在結構設計的時候，結構工程師加強與建筑師的溝通，理論和實踐充分結合，設計出效果最好、造價最低的最佳的結構方案。

2　結構設計優化的應用

應用方法：

2.1對設計模型進行優化

①處理設計工作的冗余度，選出最影響本身設計的因素作為設計變量，其余變量為預定參數；②在控制總費用成本的基礎上，將預定參數的各種建筑尺寸與相關數據用函數表示出來；③在大方面上制定好設計中需要約束的條件，比如房屋的尺寸、結構的整體強度、變形適應能力以及相關參數等；④在相關條件的約束下，根據相關數據和表達形式，將影響結構最優設計的具體參數發掘并提煉出來，建立起設計的函數模型。

2.2對設計計算方案進行優化

房屋設計方案由于變量較多，各種數據比較復雜，但是可靠度要求有非常高。因此，在優化設計計算時，將限制性的問題轉變成無限定的問題，采用拉式乘子發和Powell算法等優化計算方案進行計算。

3　應用環節

3.1前期設計環節

具體到監管工作中，蚌埠市局注重問題導向，突出專項治理，全面推行量化分級和風險分級管理，致力完善身份可查、信息可溯、風險可控、問題可追的全程安全追溯體系。規范食用農產品批發、連鎖企業及38家農貿市場的經營行為，改造提升78家學校食堂，集中改造了百大飲食群（篾匠街）、張公山美食城等飲食街，使437家餐飲單位“明廚亮灶”改造達標，1981家小餐飲、20條餐飲服務一條街通過示范店、示范街驗收。

目前，房屋的前期設計環節，沒有充分考慮結構設計的合理性和有效性，有些因素會導致房屋設計的負面影響。因為前期設計環節與整個項目的總造價息息相關，因此應該在此環節優化設計方案，保障設計的合理性，為整體的房屋設計開啟良好的開端。

3.2基礎和地基設計環節

萬丈高樓平地起，基礎和地基是整個結構設計的關鍵之處，隨著建筑行業的發展，地基建設也有非常多的樣式，應該根據不同的形式從實際出發，通過良好的地基勘測計劃，秉承節約造價、優化方案的原則，從選擇良好的地樁開始，考察不同結構的受力情況，選擇最佳的設計方案，使地基結構擁有最優規劃。

3.3抗震概念設計環節

抗震概念設計在房屋結構設計中占有舉足輕重的地位，其優化方案主要應用在抗震設計中。普通的使用抗震設防烈度作為設計案例進行設防是有非常大的不確定性的，所以應該在具體的設計過程中將房屋結構設計的方法靈活的應用在抗震設計中，以達到最佳的設計參數值。在抗震設計中，還必須要注意細節的結構設計。將結構中的某一細節板或柱的選用作為另一個具體的設計方案要求，考慮其各方面的參數要求，如承受力矩能力、鋼筋的選用等，從而保障其在整體的內部結構中，滿足結構優化的具體條件，不僅結構的安全能夠得到保障，也能夠達到有效的經濟效益。

4　應用舉例

4.1房屋抗震設計的優化

抗震概念設計秉承實用、安全、經濟的原則，然而不同地方的不同房屋結構對抗震技術的要求均不同（如表1），應根據地震本身的特點和對應地區房屋的要求進行優化。

（1）要在最大程度上較少地震造成的破壞，在房屋結構的主體和基礎連接部分安裝隔震層，最大能力的隔絕地震的能量。或者在房屋頂部設計反擺，利用其產生的阻尼作用，抵消地震作用。

表1　不同省份房屋材質所占比例

表2　抗震墻之間樓屋蓋的找寬比

（3）要著重注意房屋縱向的布局。嚴禁出現頭重腳輕、剛度度大等現象，使平面和縱向的各種結構簡單明確，剛度和質量中心盡量重合，減少鞭梢效應的發生。

當出現嚴重特殊事故的時候，必須采取相應補救措施，如立即對結構內部進行劃隔或者增加抗震縫等，來減輕地震帶來的嚴重后果。

4.2細部結構——構造柱的優化

圖1　構造柱

構造柱的主要設立部分為縱橫墻的交界處、墻的轉角處和墻的中部、休息平臺處等，但是近年來構造柱的尺寸普遍加大，而且在其他的不必要地方也設置了構造柱。除了樓梯四角、墻柱交界處等必須設置的地方，其他地方為增加美觀或者小部分裝飾的構造柱，可以去除掉，從而降低造價。

不同的抗震烈度下的構造柱尺寸不同，構造柱之中的鋼筋直徑也不相同。可以根據相應的抗震設防要求，將鋼筋直徑和構造柱截面尺寸進行相互協調，一定量的優化鋼筋和構造柱的尺寸，從而降低造價。

5　結構設計優化的意義

為適應我國國情的發展形勢，高層建筑越來越成為主體建筑，從而為追求其成本的最低化，房屋設計工作者將技術與經濟效益有效的進行結合，通過合理的設計優化方案才能確保實現最大的經濟效益，促進國民經濟發展。

5.1降低結構的總造價

通過結構的設計優化，建筑占地面積減少，節約了用地成本。由于層數的增加，基礎的承受能力需要加大，從而增大基礎面積，通過優化使單位面積的造價降低，并且充分利用各方面的資源，減少了開銷，從而降低造價。采用設計優化的技術可以降低總造價5～30%。

5.2提高房屋結構的經濟性

通過設計優化的技術上的改變，可以最合理的利用各方面材料的性能，從而是結構內部各方面更好的相互協調，不僅能夠達到實用和安全的效果，而且能夠使房屋美觀且便于施工。從而滿足了房屋建筑結構對經濟效益的需求，適應了市場對可持續發展的需求。

6　結構設計優化注意的問題

計算模型數據計算時，不要盲目依賴計算機，對于結構的限制條件和應用范圍要搞清楚；在輸入尺寸和數據時，力求準確無誤。

計算模型的參數要選取的正確合理，而且要注意和實際結構的差異，通過結構的概念和工作的經驗進行系統的分析，力求合理準確。

目前的很多建筑的結構布局和設計也非常合理，計算機的計算分析對于結構設計屬于比較薄弱的環節，盡量避免為追求優化的效果，而盲目的減少尺寸，從而造成不必要的后果。結構設計優化的環節，建筑工程師要一起討論確定，集眾人之力完成優化任務。

7　結束語

房屋結構優化能夠使房屋變得更加安全、美觀、實用、經濟，也認識到初期方案設計的制定依據概念性設計的重要性。只要一直秉持對房屋質量和安全的理念，不斷對房屋結構設計進行優化，會促進我們的經濟和社會的發展，從而改善我們的生活質量。

[1]李峰.淺談現代建筑結構優化設計[J].建筑科學，2010，3（9）：80～84.

[2]張炳華.土建結構優化設計[M].上海：同濟大學出版社，2008，9（15）：34～36.

[3]曲浩.淺談結構設計優化設計技術與其在房屋結構設計中的應用[J].科技與企業，2013（04）.

TU318

A

1673-0038（2015）18-0005-02

2015-4-10

唐陶（1980-），男，中級，本科，主要從事結構設計工作。