縐議建筑結構設計優化方法與實際應用

肖龍涌

(汕頭市澄海區建筑設計院，廣東 汕頭 515800)

建筑作為城市的基礎設施，外觀優美和優質的建筑往往令人贊嘆不已，這是美觀設計和結構設計的緊密結合才能夠實現。伴隨著生活水平的提高，人們對建筑物也提出了新的要求，不僅要求建筑物安全、適用，還應經濟、美觀，便于施工和維護，建筑結構師也應在設計師設計的工程圖紙的基礎上，盡可能地縮減空間，充分利用現有資源，實現建筑工程綜合效益的最大化。而建筑結構設計優化不僅能夠滿足外觀要求，還能保證建筑結構的安全、適用、經濟，因此，本文對于建筑結構設計優化方法與實際應用的議論具有重要的現實意義，希望能為工程建設提供一定的參考。

一、建筑結構設計優化內容

建筑結構設計優化具體是指在建筑結構的設計過程中，科學對比分析設計方案，從中選擇效果最理想的設計方案。結構設計優化主要包含總體結構設計優化和分布結構優化設計，其中總體結構設計優化相對比較重要，其效果直接影響著建筑物整體功能。

二、建筑結構設計優化意義

建筑結構設計優化方法的實際應用，既能降低工程成本投入，保護當地環境，還能切實保證建筑物使用和美學價值的實現，達到建筑工程綜合效益的最大化。與傳統的建筑結構設計方法相比，結構設計優化不僅能夠減少工程造價，還能提高各種資源的利用率，保證各個分項工程的有序施工。另外，結構設計優化注重設計理念的創新，在保證建筑物質量、安全的基礎上，還注重美觀和環保。

三、建筑結構優化設計步驟

(一)變量選擇

變量是對設計結果影響程度最大的設計參數，例如，目標控制函數、約束控制參數。對于建筑設計要求而言，變化的幅度不是較大或者依據工程構造要求、從局部設計出發的參數，均可作為預定參數，進而最大限度地減輕工程設計中的任務量。

(二)目標函數的確定

為確定目標函數，可以采用嘗試的方法，首先選取一組能達到建筑物安全標準、滿足實用性的鋼筋截面積大小等參數，再依據工程材料所需量計算工程造價，最后選擇工程造價最低的方案，以此為依據進行工程設計，進而有效控制建筑物工程總造價。

(三)約束條件的確定

建筑結構中的約束條件通常建立在可靠度優化的基礎上，例如，尺寸大小、應力和結構強度等的約束。在工程設計的過程中，應將結構優化設計應用到具體的工程建筑中，列入計算，讓約束條件全部都在工程標準允許的區域內，實現最優化設計。

四、建筑結構設計優化方法

建筑結構設計優化方法依據不同的標準，其分類各不相同，若依據設計變量的性質進行分類，則可將其劃分成連續變量與離散變量這兩種結構設計優化方法;如依據難易程度進行分類，則可將其劃分成截面優化、分布優化、種類優化、外形優化和拓撲優化，其邏輯關系如圖1所示。在特定的建筑結構中，隨著建筑結構設計優化檔次的提高，相應的設計變量的維數逐漸增高，難度系數也隨之加大。

(一)截面優化方法

應用截面優化方法時，通過有限元計算設計變量的結構位移和所受應力，直接借助靈敏度分析和科學的數學規劃方法完成優化。其中設計變量和剛度矩陣呈現簡單的線性關系，優化計算方法和靈敏度分析是應用截面優化方法的關鍵。優化設計連續變量的方法較多，例如規則法、仿生學計算法等;優化設計離散變量的方法主要有精準計算法、啟示性計算法和相似計算方法。

(二)外形優化方法

外形優化方法和截面優化法相比，研究時間較短。外形優化方法是指在結構拓撲結構一定的情況下，通過對結構框架和內部形狀的調整，以此來改進建筑物結構。以對象為標準劃分外形優化方法主要分為連續體結構和桿系結構。其中連續體結構外形優化的主要包含解析和數值這兩種方法;桿系結構外形優化首先選取節點坐標充當設計變量，并考慮截面優化，主要利用綜合優化和分布優化這兩種方法求解。

(三)拓撲優化方法

尋找建筑結構剛度的最理想的分布方式或者傳力模式是拓撲優化方法的主要內容，便于減小建筑結構重量或者優化結構性能。拓撲優化方法能為建筑設計師在結構設計的起始階段提供概念性設計，通過邏輯變量或者整數變量的形式來表現建筑結構的實際分布形式，進而使用最理想的布局設計方案，因此，與截面優化和外形優化這兩種方法相比，它能創造的經濟效益更大，且更易被工程設計人員接受。

五、建筑結構設計優化方法的實際應用

(一)優化設計應用

1.控制樓層高度

在建筑工程的設計過程中，如果在滿足建筑立面、使用凈高的基礎上，合理地縮減樓層高度，則既可以縮減構件長度和體積，節省混凝土資源，還能降低土建成本。為實現這一目的，可以有效控制梁高、墻高和各層綜合布線。

2.控制高度和寬度的比值

通常建筑物的高度和寬度的比值和抗傾斜力矩呈正相關，在設計的過程中考慮的剪切力墻等抗側力構建也逐漸增加，這在一定程度上也增加了成本投入。如果在設計過程中能夠有效地控制該比值，則也會節省工程成本，因此，高度和寬度比值的控制也是優化設計中必不可少的內容。

3.控制并優化梁的分布和配筋

在建筑主體結構中，其樓蓋造價在主體總工程造價的比重達到10%左右，重量卻達到21%左右。樓蓋橫梁的分布直關乎著樓蓋板的結構和配筋，如果合理分布，則能節約較多的建設成本。現實生活中較為常見的主體結構柱網，其跨度通常在9米，平行梁或者十字梁是標準層首選，這主要是因為這種設計方式的受力比較小，在此種設計模式中，如果梁的受力情況近似相同，則其工程造價和呈“井”字的梁相比，可節省10%，然而在地下室中，最好還是選擇井字梁，以此來保證受力，進而適應計算中的受力要求，達到凈高標準。在具體的設計過程中可以優化節約位于填充墻下方的小梁，這主要是因為樓板的剛度基本上就能支撐填充墻。梁的重量逐漸減輕，自然工程造價也隨之縮減，空間變得更大。在設計跨度較大的架框架梁時，盡可能低選擇半徑較小的配筋，以此來節省配筋，避免不必要的浪費，且受力也更加均勻，便于調整。

(二)工程實例

某辦公大樓采用的是高度為七層構造的鋼筋混凝土構筑結構體系，總建筑面積為6508平方米，由于施工場地的制約，建筑平面寬度為15.8米，長度為59.2米。將房間開間設計成5.0米，進深度6.8米，過道寬度2.5米，各樓層高度為3.8米。采用現澆式安裝框架的梁、板。

1.建筑結構優化模型

首先，明確設計變量，通常設計變量為對建筑工程設計影響程度最大的參數，本工程可以選以結構造價為中心的目標控制參數，也可以選擇以結構穩當度為中心的約束控制參數。對于對建筑工程設計影響程度較小的因素選作預定參數;其次，明確優化設計目標函數，并依次為依據進行優化設計計算;最后，明確模型約束條件。

2.分布結構的設計優化

(1)基礎拉梁設計優化

該工程樓層較少且高度較低，因此選用短柱形式作為建筑基礎。控制基礎拉梁的截面高度在短柱中心距的0.05左右，保證基礎梁配筋能達到建筑最小配筋率標準。

(2)基礎設計負載設計優化

由于本建筑工程層高為七層，層數較少，若在具體的施工過程中地基的重點受力部位不是軟性粘質土層，則可不必對其進行基礎防震能力測驗。另外，因本工程為鋼筋混凝土構筑體系，在優化設計的過程中，一定要考慮風力負載問題。

(3)計算結構分析

建立建筑結構的優化模型后，對其進行計算，能夠及時發現建筑結構設計中的問題，并制定針對性的解決方案，進而進一步優化建筑結構，最終達到建筑結構安全、經濟適用、美觀的預期目標。

結語

建筑結構設計優化是一項復雜、長期的工程，科學的結構設計優化，不僅能夠降低工程預算，還能保證建筑物安全、經濟、適用、美觀。因此，工程建設單位應在保證工程質量和功能的基礎上，結合建筑工程的實際情況，合理應用結構設計方法，不斷提升工程設計師和結構師的專業水平，積極運用新型技術，不斷探索，進而優化建筑結構，促進建筑的安全、可持續發展。

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