建筑結構設計優化方法的應用研究

張 浩孟玲輝(山東省濱州市規劃設計研究院 56600 山東省濱州城建集團公司 56600)

建筑結構設計優化方法的應用研究

張 浩1孟玲輝2
(1山東省濱州市規劃設計研究院 256600 2山東省濱州城建集團公司 256600)

本文主要講述了在對建筑的結構進行優化設計時所運用到的結構設計優化理論方法，應用這種方法可以得到建筑結構的優化模型以及相關的計算方法，從而在實際的建筑房屋設計中體現出其結構設計的特征。將該種方法的理論運用到實際中去，對于節約建筑物的成本有著極大的好處。在現實生活的建筑設計中，該理論方法具有很強的可操作性，為今后在建筑行業中應用結構設計優化理論提供了充足的理論依據，對于建筑行業的長遠發展具有深刻的意義。

建筑物；設計優化；建筑結構設計

隨著我國現代化步伐的加快，經濟水平的逐步提高，人民生活水平相較以前有了極大的提高。人們對生活的要求越來越高，其中就包括住房問題。人口的持續增長使得城市里的高樓大廈越來越多，而與此相對應的，城市里可用來開發房地產的土地資源卻越來越少，土地資源有限，人口與土地資源的矛盾日益顯得嚴重，這樣的后果就是直接推動了土地價格的上漲，開發商在開發建筑物時所需要付出的成本也越來越高，人民的住房壓力也越來大。如何降低房屋的建設成本就成為開發商一個急需解決的問題，將建筑物的開發成本控制在一個相對合理的水平里面。

1 優化的結構設計方法

目前社會上的許多建筑物在外觀上都可以給人帶來一種愉悅的享受，這是因為在建筑的施工設計上采用了結構設計的相關理論，使二者能夠非常有效的結合在一起，進而實現了外觀美感的提高。在生產實踐中，我們對建筑物的要求一般都是安全實用、美觀、建筑施工簡單方便等目標。本文所闡述的結構設計優化理論就能夠對建筑物的設計技術進行優化，從而滿足人們對建筑物結構強度高、外表美觀的要求，它還能夠使建筑物的性能更加安全、建設成本進一步降低，向真正的“經濟適用型”建筑物接近。從建筑學的角度來分析，結構化設計優化理論主要體現在對建筑工程結構進行總體的優化設計以及優化設計建筑工程結構這兩個方面上。

1.1 建筑模型的優化結構設計方法。

在進行一項大工程的實際設計施工前，首先設計出一個建筑模型，然后對該建筑模型進行理論上的優化是十分必要的。對建筑工程進行結構優化設計主要包含以下幾個方面：對圍護結構以及基礎結構進行優化設計、對結構的具體部分以及屋蓋系統方案進行優化設計。除了對這些部分要做一些必要的優化設計以外，對建筑物的造型、整體布局、結構受力分析、工程造價等等各方面進行具體的優化設計也是有必要的。在優化這些設計的過程中，所有的工作都是從實踐出發，依據工程的實際情況，以建筑物的綜合經濟價值為目標來進行結構優化設計。在實際的結構設計中，首先要明白設計的意圖，實現了該目標后，再要使建筑物的空間布置比較有規則，減小剛度與質量中心的差異性，采用了這種做法，可以有效避免水平荷載和建筑物之間過大的扭轉作用力。在垂直方向上要減少轉換層的使用，從而避免應力都集中在一塊。

約束房屋結構可靠度的優化設計主要包含以下條件：裂縫寬度以及結構強度約束、應力以及尺寸約束、從正常時的極限狀態下彈性約束到終極狀態的彈塑性約束、從可靠指標約束到確定性約束條件等等。在實際的建筑物設計中，我們要做到各種約束條件都滿足現行的各種規章制度，符合行業的標準要求。

1.2 建筑模型的優化結構設計的計算方案。

在完成了計算方案的設計后，我們只需要再設計一種符合要求的程序，應用該程序就可以得到對建筑物的最終優化結果。但是在實際操作中，結構設計需要對多個約束條件以及多個變量進行優化，這就涉及到非線性化的優化問題，因此，在設計程序時，要將有約束條件的相關變量轉化成為無約束條件的變量來進行計算。在實際的建筑工程實踐中，常用的計算方法有拉氏乘子法、Powell 算法和符合型等，可以利用這些方法對建筑物的模型設計出合理的結構設計方案。

2 優化的結構設計技術在實踐中的應用

在對建筑物模型設計好了優化結構設計方案后，就可以在實際設計施工中應用該理論方法。結構化設計優化理論是當前一個非常常見的研究項目，要想實現將結構設計優化理論應用于實踐中，但不可以改變建筑物的適用性能，而且可以實現降低工程造價的目標，這是從事建筑行業的設計人員一直追求的目標。在建筑物項目的整體設計以及前期設計中，老舊危房的改造以及相關建筑物的抗震設計等各個環節中應用結構設計優化理論，會產生極大的經濟效益。

在應用結構設計優化理論對建筑物的模型進行優化時，要特別對以下三個方面的問題加以注意：進行結構設計優化的前期工作，優化概念設計以及細部結構設計，優化地基基礎結構部分。下文將就這三方面的問題加以詳細的討論。

2.1 參與結構設計優化的前期工作

建筑物的前期設計方案對建筑物的總造價有著直接的影響，但是現在存在的主要的問題就是結構設計中并不包含在前期方案的階段中，設計師在對建筑物進行設計時一般情況下不會將結構的可行性及其合理性考慮進去，但是結構設計的結果是與建筑設計的結果息息相關的，設計師的某些方案或許會增加建筑物結構設計的難度，造成施工難度加大，從而導致建筑物的總投資比預期要高出許多。如果將結構優化設計融入到建筑設計方案的初期中去，那么建筑師們就可以針對不同的建筑物選擇相應的結構方案和設計方案，使得建筑物在結構上有根本的質量保證。

2.2 將概念設計和細部結構設計進行優化

概念設計主要應用于抽象化的建筑物指標中，比方說地震設防烈度，由于實際情況的地震強度具有不可預測性，通過計算程序得到的結果與現實的具體情況還是有很大差異的，在進行類似指標的設計時就要運用到概念設計的相關理念和方法，通過這種方法可以得到一個數值，然后將這個數值作為設計的輔助和參考的依據。在實際的建筑物設計中，需要建筑設計師采用多種方案，靈活運用結構設計優化的方法，得出最符合要求的方案，使結構設計的效果達到最佳。

3 優化的結構設計實際價值

在建筑物的設計中，對建筑物進行結構設計優化顯得十分重要，因為使用結構設計一方面可以降低建筑物的投資，另一方面可以提高建筑物結構的經濟性，這些對于建筑物的建設來說具有實際價值。

3.1 通過結構優化設計來降低總造價

在實際的結構優化設計中，多層建筑物和高層建筑物有著明顯的不同，根據實際情況來說，建筑物的層數越多，相對應的總建筑面積就越大，建筑物單位面積所占用的土地資源就越小，這雖然可以節約土地資源，但隨著建筑物層數的增加，各建筑物與建筑物之間的間距也會加大，這種情況就不能說土地的使用量與建筑物層數是呈正相關了。考慮到屋蓋部分，不管層數多少，一棟樓只有一個屋蓋，所以樓數增加可以使建筑成本下降。但是基礎部分會隨著建筑物層數的增加承載的荷載相應會增加，這就需要對該部分加大投資，單位面積的造價就會下降，但不會像屋蓋那樣明顯。

3.2 通過進行結構設計優化來提高建筑結構的經濟性

建筑物越高，水衛和電氣的管線相對應的也會增加。但建筑物高度越低，可以節約材料，各建筑物之間的距離減少，可節約土地資源。建筑物形狀的不同其受力性能也不同，提高建筑的經濟性能。

4 結論

在建筑物的實際設計中采用結構設計優化方法，能實現對有限資源的最大程度的利用，達到經濟化、適用性以及實用性的目標。這可以滿足人們對建筑物的各方面的要求，提高人們的居住環境和生活環境。與此同時，這也可以讓建筑商尋找新措施來滿足顧客的要求，降低成本。

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