建筑結構設計階段優化方法分析

孫 志 勇

(山西省人防建筑設計研究院，山西 太原 030013)

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建筑結構設計階段優化方法分析

孫 志 勇

(山西省人防建筑設計研究院，山西 太原 030013)

介紹了概念設計的主要內容，從結構布置、構件截面、地基基礎、構造措施等方面，闡述了建筑結構概念設計的優化方案，旨在充分發揮各結構構件的功能，使建筑結構設計符合相關規范要求。

建筑結構，概念設計，地基基礎，結構布置

0 引言

建筑結構優化的方法以及原理有兩類：一類是數學規劃法，借助于極值原理的概念，將相應的參數進行優化設計，找出最優參數；另一類是準則法，從結構力學的角度進行優化。兩種方法各有優缺點，其中數學規劃法有嚴格的理論依據作為設計的支撐，適應性比較好；缺點是求解速度比較慢，而且由于嚴格理論的存在求解會受到一部分限制[1]。而準則法的優點是優化時間相對較短，不影響重新分析的次數以及不涉及變量參數數量的變化，優化次數為10次左右就可以滿足結構優化的任務[2]；缺點是沒有嚴格的理論依據作為支撐，因此在實際中，一般認為是最接近理想狀態的優化結果，但不是真正的最佳結果。在國內外對于準則法的不斷優化中，逐漸對其進行改進，目前可以優化的結構問題中，變量的數量可高達上百萬個，優化的范圍比較廣泛。

兩種方法不斷發展，互相彌補缺點形成一種新的方法，就是逼近概念法，結合了準則以及數學規劃法，一方面有嚴格理論作為優化的基礎，同時還具有不斷逼近的功能，從而進行簡化優化，然后用迭代法進行求解，最終得到優化解，達到結構優化的目的。截面優化問題中桁架的問題就使用該方法，設計變量取為桁架截面面積的倒數，然后進行結構設計的優化。

數學規劃由于存在理論基礎，可以與有限元軟件進行結合求解，使得數學規劃法的應用更為流行，隨著結構優化的不斷發展以及應用過程中存在的問題，已經不再是最初只能滿足簡單要求的優化法，現在說的結構優化是需要在系統上的優化及多目標優化、高層次的優化[3]。

建筑結構設計的工作很復雜，最基本的兩項任務是設計需要實現的功能，以及實現功能后結構的可靠性以及安全性問題，另一項工作是在設計的時候考慮工程的造價問題，滿足結構的各項功能指標的同時費用的控制也是很重要的[4]。

1 概念優化設計

建筑結構設計中，計算機的應用提供了方便性，使得結構設計的高度逐漸上升，結構設計人員對于繁復的計算工作不再進行手算，通過輸入計算機中，經過有效地計算得出相應的結果。結構設計人員需要做的就是扎實的理論依據，以及豐富自己的經驗，重點放在一些傳統問題中比較棘手而且難以解決的問題，通過自己的分析以及經驗對于問題得到更加合理的答案，從而使得設計方案更加的適用、合理以及經濟，因此設計者的時間大多放在概念設計上。

概念設計的一整套流程就是設計人員首先從最初關于結構的信息(選型、布置、分析以及計算)等方面著手，然后解決遇到的問題，根據不同工作的規律以及流程，結合相關的經驗以及因素，對問題進行解決、分析以及處理，最終確定合理的方案。

建筑設計方案一般結構布置方式有很多種，因此確定結構的布置方式是首要任務，一旦確定了結構的布置方式，接下來考慮的是受力荷載分析，荷載的分布以及受力同樣需要進行選取以及確定；然后是建筑物關于細部的處理。在應用計算機進行處理的時候，上述工作是無法通過計算機單獨完成的，需要設計人員的協助以及確認，根據自己在設計領域的專業知識以及經驗進行判斷。這些判斷不依賴于計算機，靠的就是工程設計人員的理論基礎以及經驗，即所謂的概念設計。

概念設計中會出現很多問題需要解決，然后考慮在建筑物投入運行中可能受到的各種不利因素以及破壞力，這些都是概念設計的主要內容，因此在實際設計過程中要重視概念設計。

2 結構布置的概念設計

結構布置涉及受力，因此要從全局出發，綜合抗震設計的基本原則，對于不必要的內耗問題要盡可能地降低，對于結構的剛度突變和扭轉效應盡可能的減小，讓構件的功能盡可能的充分發揮，盡其所能[5]。

在跟建筑師交底的基礎上，對建筑物整體結構的布置和選型要充分考慮后再做決定。建筑師的要求是滿足外觀上的獨特，以表達他的思維以及藝術的品味和判斷，而對于結構工程師來說結構受力安全可靠才是最重要的，但是同時滿足建筑師的要求，設計新的結構受力形式使得建筑師的設計得以實現。結構上一般對于簡單的低層以及多層結構都是很容易滿足的，其受力并不復雜，但是對于高層結構的設計，在建筑師表達自己的想法時，會出現與結構工程師脫節的情況，因此在與建筑師交底的過程中，結構師應該介入荷載的平面布置以及豎向布置，使得兩者的要求皆可滿足[6]。

建筑設計方案的完成標志著下一項工作的開始，結構方案的選擇，每個構件都需要考慮受力，其中包括可預見的受力情況以及不可預見的受力情況。豎向構件的受力包括豎向荷載的傳遞以及風和地震荷載的作用，隨著氣溫的變化，還會產生溫度應力，因此對于豎向構置的部件，其位置要有利于溫度應力以及水平荷載的承受。

水平承重構件的布置同樣要考慮一系列因素，首先要傳力路徑簡單明了，荷載的傳遞要迅速，即采取最方便快捷的方式進行，最后傳遞到基礎或者地基上[7]，不合理的結構布置，會使得力的傳遞經過多層次，將原本簡單的受力變復雜，最后傳遞到基礎上去。

然后是結構構件的尺寸大小的確定，一般先按照經驗進行選取，具體的大小根據相關的理論進行選擇。

3 構件截面的概念設計

構件截面的設計，通過截面控制內力對構件進行正、斜截面的計算，然后進行配筋處理，概念設計在此處的應用最廣而且也最重要，得出鋼筋量后，鋼筋的配筋方式也是很多種，不同構件以及同一構件的不同位置也是不同的，綜合考慮各種因素后進行確定。

4 地基基礎的概念設計

對于地基來說不確定因素很多，其中地基土就是一個，不同地區存在較大差異，而且目前為止，沒有確定的模型供選擇進行模擬計算，這同樣需要設計人員的理論基礎以及經驗進行確定，對可能出現的問題以及因素進行分析和預測，之后對應對方案進行選取，找出最佳方案。

結構設計最常用的方法就是獨立計算，將地基、基礎以及上部結構分別進行力學計算和分析，這種計算方法的缺點就是跟實際脫離比較大，其實緣由很容易解釋，就是在進行力學性能計算的時候，整個結構是連帶關系，上部結構的受力必然會影響下部結構的受力，但是理論計算的時候的相分離策略忽略了這一點，造成了較大的數值差距。這就要求設計人員具備扎實的理論依據，構件之間的受力聯系以及荷載的傳遞有較高深的理論依據，綜合各項因素，各個角度得出最佳方案。

5 構造措施的概念設計

結構設計完全依靠理論得出的設計方案在實際中存在較多問題，甚至對于荷載的承受能力不足，不能滿足耐久性以及可靠性要求，特別是發生地震等非常見的荷載作用，結構會發生較大的破壞，完全失去承載能力，為了防止此類事件的發生，一般會進行構造措施的設計。有經驗的設計人員提出的解決方案就是使用一部分對抗震有利的構件，提高結構的整體性以及延性。

6 結語

概念設計的內容包含太多，而且需要設計人員從主觀層面上進行各種理論的分析以及計算，合理的方案才能形成。通俗說法就是設計人員根據自己的經驗以及相關的理論進行結構優化設計從而確定最佳方案。對于結構優化的深度性以及優化的正確性完全依據設計人員的專業素養，尤其是解決實際問題的能力，更是依靠從事設計工作設計經驗的累積程度。

[1] GB 50009—2001，建筑結構荷載規范[S].

[2] GB 50068—2001，建筑結構可靠度設計統一標準[S].

[3] GB 50010—2002，混凝土結構設計規范[S].

[4] GB 50011—2001，建筑抗震設計規范[S].

[5] JGJ 3—2002,J 186—2002，高層建筑混凝土結構技術規程[S].

[6] SAVE Internation,U.S.Govenvnent Value Engineering Requirement,home page URL:http://www.value-eng.com/about gov.html，1997:78-80.

[7] John Kelly,Steven Male.Value Management in Design and Construction[M].London, New York: E&FN Spon,1998:76-79.

Analysis on optimization methods of architectural structure design phase

Sun Zhiyong

(ShanxiCivilAirDefenseArchitecturalDesignInstitute,Taiyuan030013,China)

This paper introduced the main contents of design concept, from the structure layout, component section, foundation, structural measures and other aspects, elaborated the optimization scheme of architectural structure concept design, aimed to give full play to the function of structural members, made the architectural structure design to meet the specification requirements.

architectural structure, concept design, foundation, structure layout

1009-6825(2016)20-0039-02

2016-05-03

孫志勇(1989- )，男，助理工程師

TU318

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