建筑結構設計優化技術探討

杜 相 安

(太原市城市規劃設計研究院，山西 太原 030012)

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建筑結構設計優化技術探討

杜 相 安

(太原市城市規劃設計研究院，山西 太原 030012)

論述了建筑結構優化設計的意義，從結構優化設計模型、房屋建筑整體結構選擇、信息化技術、節能設計等方面，闡述了建筑結構設計常用的優化技術，最后對結構設計優化技術的前景進行了評價與展望。

建筑結構，優化設計，經濟性

0 引言

隨著我國經濟的不斷發展，各行各業都對建筑提出了自己的獨特要求，建筑行業一時間得到突飛猛進的發展，同時建筑建造工程也成為社會上造成環境污染、資源緊張的主要工程之一。建筑工程的時間和資金成本有很大一部分是花費在建筑結構的建造上，而建筑結構的設計優化有助于在保證建筑質量的前提下，綜合各個影響建筑性能的因素，提高建筑材料利用率、使建筑結構更加科學合理，降低建筑成本，提高建筑的經濟效益。因此，建筑師在建筑設計時應注意學習運用，并不斷改進結構設計技術，以提高建筑的整體性能、降低建筑結構的成本，進而提高建筑的整體經濟效益。

1 建筑結構設計優化的意義

眾所周知，房屋建筑結構直接影響著房屋的功能與質量，優化房屋的結構設計對于房屋安全性、持久性、美觀性、經濟性等都具有十分重要的意義。在房屋建造中，許多因素相互制約著，如果結構設計不合理，很容易顧此而失彼。這些因素包括建筑物層數、土地占有、建筑物結構分布、建筑物結構外觀及經濟性等。以采光性和建筑密度的關系為例，如果要求在確定的地皮上建造更多建筑面積，那就不得不增加建筑高度，而建筑高度的增加，勢必會影響相鄰樓的采光性。而建筑設計優化，則是兼顧各個影響因素，根據業主對建筑的功能要求，找到各個因素的最佳結合點，從而提高建筑的經濟性與適用性。

2 建筑結構設計的主要優化技術

2.1 結構優化設計模型

建筑結構的可行性直接影響著建造成本的分配情況，分析其可行性的具體原理為將結構化的理念引入到建筑結構設計中來，在各種影響變量中選擇主要參數，建立函數模型并得到建筑的最優解。首先要選擇合理的影響變量，具體來說，就是將對建筑結構性能影響不大的參數設置為預定參數，將影響較大的參數設置為設計變量，以減少計算量；其次，根據選定的設計變量的相互關系來建立目標函數，并且通過此函數，尋找在約束條件下的最優解；最后，設定約束條件。建筑結構可靠性的要求約束條件包括應力、裂縫強度、結構強度等各個方面，并且在尋找到最優解之后，還要使用分析軟件對設計方案進行構圖模擬，測試設計方案是否達到最初的設計要求，以及有哪些需要改進的問題。由此在全面的調查分析研究及精準的簡圖計算基礎上，結合之后的模擬檢驗，使最終的方案設計更加科學合理。

2.2 房屋建筑整體結構的選擇

建筑自身的結構類型對房屋建筑的工程成本有很大的影響，普通房屋建筑的結構類型主要包括以下幾種：

1)抗風墻類型。此結構類型被廣泛應用于高層建筑中，以混凝土為基礎，其優點是建筑抗震能力強，并且鋼筋等材料使用數量較少。2)框架類型。這種結構類型的優點是在建筑結構布局上很靈活并且造價較低，其缺點是柱結構自身的截面較大，因而降低了抗震能力。3)混合結構類型。這種建筑結構類型綜合了以上兩種結構類型的優點，并適當規避了不必要的缺點。這種建筑結構類型廣泛應用于日常的工程建設中，應用性較強并且結構布置等方面的合理性、科學性都有所提高，而且這種混合結構類型的抗震和抗側力能力很強，因此通常運用于民用建筑工程中。

以上三種建筑結構類型都優缺點共存，并且在不同類型建筑上有所發揮。因此，具體分析和選擇建筑結構優化方案具有十分重要的意義。在建筑工程開始之前，施工單位要考慮業主和實地情況對建筑性能的種種要求，使建筑結構優化方案不僅能夠滿足業主的要求，還可以提高建筑的經濟性，一舉兩得。

2.3 信息化技術的合理應用

在房屋建筑施工過程中，結構優化設計方案受到許多因素的制約，這將對工程的整體進度、建筑施工造成很大影響。因此，建筑工程需要將許多在施工過程中可能會遇到的細節問題納入考慮范圍，綜合到建筑結構優化設計中來，以確保之后的正式建筑施工能順利展開。如今計算機網絡、云計算等技術日趨成熟，這些信息化技術的應用可以幫助建筑設計工程師預測建筑建造過程中可能出現的細節問題。例如：通過一些可以定義施工參數的電腦軟件，就可以既精準又快速地完成相應任務。在房屋建筑優化設計過程當中，為了簡化設計過程，常常只將對建筑性能影響加大的因素納入綜合設計范圍，而對那些影響較小的細節問題作為非重要因素忽略，這容易給房屋建筑施工過程帶來隱患。電腦設計軟件就可以減少甚至避免此類問題的出現，從而彌補設計工程師的不足。通過使用電腦設計軟件不僅大幅度提高了建筑結構設計工程師的工作效率，也有力地保障了建筑施工的順利開展。

TBCAD系統是建筑結構優化設計使用最為廣泛的軟件，其通過詳細分析結構方案、結合各種資源來更加優秀地完成優化設計。TBCAD系統實際操作過程可分為兩個主要步驟進行：1)對建筑施工過程使用到的各項資源進行優化設計，既使用少的材料，又達到最好的效果，讓房屋建筑的整體結構性能達到最優的配比；2)可以對結構設計當中使用的構件強度進行優化，即對每個部件當中鋼的使用多少與截面的大小進行相應調整，從而達到質量最優、成本最低的目的。

2.4 節能結構設計的優化

在國家綠色發展、循環發展、低碳發展的號召下，做好結構的節能設計是十分必要與重要的。在房屋建筑的使用中，能量開支比較大的活動項目包括取暖、照明等。因此，在結構設計時，要注意設計建筑的主要朝向向南，以得到最大的采光時間，降低照明對電能的消耗；要擴大南面的窗口面積，以得到最多的太陽輻射能；在建筑的北面做好保溫設計，進而將熱量留在房屋建筑內部，從而提高房屋的保溫效果。另外，屋頂的設計可以采用架空的方式來增加房屋的保溫；或者鋪設循環水管，這不僅可達到冬暖夏涼的效果，同時還可以增加熱水的供應量。

3 評價與展望

建筑結構設計優化技術為我國建筑行業的發展做出了巨大的貢獻，并在社會上創造了很大的經濟效益，對我國實現綠色發展、循環發展、低碳發展具有很大的現實意義。當前，我國建筑結構設計優化技術也在不斷創新進步中，新技術新工藝不斷涌現出來，并被行業內設計及施工公司所實踐和認可。建筑結構優化設計逐漸延伸到建筑設計的更多方面，以發揮更多的功能，促進建筑的使用性能不斷提升。另一方面，由于建筑建造工程也是造成大氣污染、資源緊張的一大因素，因此國家和社會應不斷加大對建筑結構設計優化技術研發人力和資金的投入，使我國的建筑結構設計優化技術得到更快的發展，確保我國的建筑工程更加能夠滿足社會經濟可持續發展戰略的需要，并降低社會住房方面壓力，改善民生。

[1] 黃 云.簡論建筑結構設計優化思路與應用[J].建筑·建材·裝飾,2014(13)：52-53.

[2] 梁恒輝.房屋結構設計中的建筑結構設計優化[J].建筑工程技術與設計,2015(11)：95-97.

[3] 閆新紅,王雄飛.淺談房屋結構設計中的建筑結構設計優化[J].房地產導刊,2014(2)：89-91.

[4] 楊 棟.淺談房屋結構設計中的建筑結構設計優化[J].建筑工程技術與設計,2015(32)：11-13.

[5] 汪建平.建筑結構設計優化技術探討[J].價值工程,2015(28)：27-28.

Inquiry on optimal design techniques of building structure

Du Xiang’an

(TaiyuanAcademyofCityPlanning&Design,Taiyuan030012,China)

With a discussion on the optimal design meaning of building structure, starting from aspects of structural optimal design model, integral housing building structure selection, information technology and energy-saving design, the paper describes common optimal design techniques of building structure, and makes an evaluation and prospect of structural design optimizing technique.

building structure, optimal design, economy

1009-6825(2016)05-0063-02

2015-12-09

杜相安(1971- )，男，工程師

TU318

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