房屋結構設計中建筑結構設計優化方法的應用

李穎芬

（鶴山市建筑設計院有限公司 廣東江門　529700）

房屋結構設計中建筑結構設計優化方法的應用

李穎芬

（鶴山市建筑設計院有限公司 廣東江門529700）

隨著我國的經濟快速發展，建筑業也不斷發展。對于現代建筑而言，只有合理的規劃設計是遠遠不夠的，由于人們生活水平的日益增長，對建筑的外觀要求也越來越高，這給建筑業帶來了新的挑戰。本文主要針對建筑結構設計優化方法在房屋結構中的應用，進行了相關研究，根據我國現階段的建筑發展和社會國情，分析了房屋結構在設計中存在的一些問題，并提出了相關建議和具體的應對措施。

建筑結構；優化方法；房屋結構

由于強大的市場競爭背景，使得建筑行業在技術上面臨著巨大考驗，特別是優化建筑結構的設計方法，其好壞直接影響建筑物的質量[1]。此外，采用優化建筑結構的設計方法可以提高資源利用率，降低開發商的投資成本，減少浪費，節約資源，促進經濟可持續發展。因此，在進行建筑結構設計時，需要采用優化方法來滿足建筑結構的經濟性、安全性以及觀賞性。

1　建筑結構設計優化在房屋結構中的應用意義

近年來，房屋結構設計的技術一直在不斷完善，為了迎合市場需要，只有通過采取優化方法才能在取得利益的同時，達到成本控制[2]。①建筑結構設計優化方法應用到房屋結構設計中，可以有效提升房屋質量，使房屋的外觀更具有觀賞價值。②通過優化結構設計，可以合理配置資源，節約成本，提高企業的市場競爭力。同時，通過優化結構設計，為建筑施工過程提供了科學的施工方法，保證了房屋設計的合理性。總之，建筑結構設計優化在房屋結構設計中的應用意義重大。

2　結構設計優化技術應用的注意事項

2.1在應用過程中應注意前期參與

目前，很多建筑師在進行結構設計時都忽視前期方案的參與，使得建筑的結構設計受到很大影響，尤其是在合理性和可行性方面都有很大偏差，從而影響建筑的整體質量[3]。因此，結構設計優化的前期參與對建筑結構有著重大意義，不僅保證了建筑質量，還降低了施工難度，減少了成本投資，為整個房屋設計都打下了良好基礎。

2.2概念設計結合細部結構設計優化

一般來說，為了避免一些突發事件的影響，在結構設計過程中，都應采取概念設計的方法，減少計算誤差，確保設計的精準度。在采用概念設計時，需要將數值作為輔助和參考的依據，要求設計人員結合細部結構設計優化，取得理想的設計效果。

2.3下部地基基礎結構設計優化

由于樁端持力層對灌注樁樁長的選擇影響很大，因此，在對地基基礎的結構設計優化時，要根據施工條件和地質情況來決定優化方案。為了減少資源浪費，避免充分工程，可以采取設定多種方案，通過多方面的比較，最后決定最適合的結構設計優化方案[4]。

3　結構設計優化技術的具體應用步驟

3.1結構優化模型

主要通過三個步驟完成：①選擇設計變量。通常情況下，都會把對結構設計產生主要作用的參數選為設計變量，其他對結構設計影響不大或只是針對局部設計的參數作為預訂參數，這樣的做法可以有效提高設計的效率，減少工作量；②確定目標函數。選用一組滿足預定條件的截面幾何尺寸和鋼筋截面積以及失效概率，達到減少成本的作用[5]；③確定約束條件。在房屋結構設計中，主要包括尺寸約束、結構強度約束和結構體系約束等。要達到最優設計，必須比較房屋結構設計中實際的約束條件與目標約束條件，從而保證各約束條件都符合標準。

3.2確定優化設計計算方法

由于房屋結構設計是一項極其復雜的工作，在優化方面，需要考慮復雜的多變量和多約束非線性等問題，在計算過程中，通常是將有約束優化問題轉化為無約束問題求解。一般都利用復合形法、拉氏乘子法和Powell法等優化設計計算方法。

3.3程序設計

在程序設計方面，不僅要考慮結構優化模型以及優化設計計算方法，還要編制功能齊全、運算速度快的綜合程序。

4　建筑結構設計優化方法在房屋結構設計中的應用要點

4.1選擇節能指標較高的結構類型

房屋結構形式的選擇對于建設模式有著重大影響，一般都是采用以下三種結構：

4.1.1短肢剪力墻結構

所謂短肢剪力墻結構，就是以混凝土結構技術規程為依托，主要運用在高層建筑。這種結構在抗震功能和配筋率上明顯高于普通剪力墻，由于短肢剪力墻結構鋼筋使用數量不多，所以在應用時要結合實際情況來考慮。

4.1.2框架結構

框架結構具有布局靈活性強和造價成本低的優點，由于柱截面較大，形成的柱角凸出部位會影響屋內美觀，所以不建議采用。

4.1.3框架-剪力墻結構

框架-剪力墻結構就是結合以上兩種的功能，即在框架結構中進行剪力墻的布置，在布置過程中要注意合理性，該結構具有適用能力強和抗側力較好的優點，而且可以靈活抵擋各種變形。

4.2細部優化

4.2.1抗震縫的處理

由于抗震縫以往的標準不能避免碰撞，因此，要增大抗震縫的間距，保證房屋結構的安全性。

4.2.2懸挑梁的設計

當出挑長度較短時與挑板不同時，挑梁的自重占總荷載的比例較小，懸挑梁作成變截面難以減輕自重，且施工難度較大，因此，適合做成等截面。但是對于外露的大挑梁可結合實際情況做成變截面，增加建筑美感。

4.3結構設計信息優化技術

房屋建筑結構設計過程比較繁瑣，不能采用單一的方法，需要借助優化軟件來提高工作效率。可以采用TBCAD系統，該系統的優化處理通過兩個時間段進行，包括材料的分配調整和構件強度。其中，對材料的分配調整時，為了達到側向剛度的要求，使用最少的混凝土，系統在這個時間段的目標函數是混凝土的使用量，而結構構件的斷面大小則是設計的變量。其次，對構件強度的優化是通過對構件結構的斷面大小以及鋼用量的調整，在達到構件的強度要求的同時，還降低了結構的造價。

4.4材料的優化選擇

房屋建筑結構設計的最佳效果就是用最少的成本做出高質量的建筑，這就要求重視對材料的優化選擇。在選擇過程中，要控制好鋼筋與混凝土強度的配比，充分發揮材料的優化作用。

5　案例分析

5.1工程概況

以某房屋建筑為例，從各方面分析結構設計的優化方法，房屋的具體信息詳見表1，建筑框架結構詳見圖1。

表1　某房屋建筑的基本信息

圖1　某房屋建筑框架結構平面圖

5.2房屋結構體系的選擇

由于該房屋結構主要考慮的是框排架結構，因此在優化設計時，采用的是單向鋼架（橫向）結合支撐（縱向）的體系。在設計主框架結構時，以等截面的標準來設計夾層梁和屋面梁。

5.3夾層樓面次梁的設計

在優化設計過程中，以平面結構模型為框架模型。對于夾層樓面次梁的設計，主要分兩個步驟：①夾層處按照空間建模，樓面梁按照非組合梁計算；②磁療采用鉸接連接，設計參數都要控制在標準范圍內。

5.4墻梁的設計

為了減少成本，節省鋼量，在墻梁設計時，可以采取減薄鋼板厚度的方法來滿足設計要求。

5.5系桿支撐系統的設置

該工程的柱頂采用的是圓管作為系桿，吊車梁標高處采用的是吊車梁作為系桿，這樣的設計可以明顯減少柱平面外的計算長度，降低難度。系桿支撐系統的設置還要根據變化適時調整支撐截面。

6　結束語

鑒于人們的審美意識逐漸增強，建筑物不僅要具有經濟實用的優點，還要具有觀賞價值，滿足市場需求。通過優化建筑結構設計，可以有效提高建筑物的美觀程度，值得廣泛應用在房屋結構設計中。

[1]劉清華.建筑結構設計優化方法在房屋結構設計中的應用[J].城市建設理論研究（電子版），2014（6）.

[2]景毅.建筑結構設計優化方法在房屋結構設計中的運用分析[J].科技資訊，2014（27）：36.

[3]王也.建筑結構設計優化方法在房屋結構設計中的應用[J].中華民居，2013（9）：81～82.

[4]王小引.建筑結構設計優化方法在房屋結構設計中的應用研究[J].江西建材，2015（5）：24.

[5]王勝飛，王永標.房屋結構設計中建筑結構設計優化方法的應用[J].建筑工程技術與設計，2014（33）：142.

TU318

A

1673-0038（2015）20-0003-02

2015-4-2

李穎芬（1987-），女，助理工程師，本科，主要從事建筑結構設計工作。