優化技術在土建結構工程設計中的應用分析

徐力

摘要：近年來，隨著我國國民經濟的持續快速發展，建筑行業也得到了快速發展，其地位也越來越重要，這就使得對土建結構工程設計進行研究有了意義。文章依此對優化技術在土建結構工程設計中的應用進行了分析，首先說明了優化技術的現實意義，然后闡述了其應注意的問題，最后對其應用進行了分析。

關鍵詞：優化技術；土建結構；工程設計；建筑行業；建筑設計 文獻標識碼：A

中圖分類號：TU318 文章編號：1009-2374（2016）30-0119-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.30.058

1 土建結構優化設計技術的現實意義

每一個建筑企業都希望可以在滿足土建結構長遠利益的前提下付出最低的成本，最大程度地減少土建結構的近期投資。土建結構設計優化技術可以在保證建筑物結構科學合理性的前提下達到降低經濟付出的效果。土建結構優化設計技術有利于促進實現可持續發展，可以用同樣的資金獲取更大的市場收益。現代的土建結構優化設計技術與傳統的設計技術相比有很大的優越性，選擇設計優化方法可以很好地降低工程成本。實現土建結構設計優化技術有利于合理性能材料的選擇，可以最大程度上協調土建結構內部各個單元之間的關系，從而提高土建工程的建設效率和安全性。除此之外，優化設計技術也能夠為土建的整體設計方案做出科學合理的決策，所以優化技術是有效實現土建結構設計的方法。

隨著建筑層數的增加，墻體面積和柱體積也會增加，這樣一來土建結構的自重就會隨之增加，基礎和柱的承載力也因此而增加，這樣土建內部裝修等都要考慮這一問題。與此相反，如果層數減少就可以很好地節約建筑材料和建筑造價，也可以達到抗震效果。從日照等因素來看降低層高可以減少建筑間的日照距離，可以有效地節約建筑用地。在建筑面積一定的情況下，土建使用不同的形狀可以改變外墻周長系數，也可以改變內外表面裝修等，所以在土建結構設計中要優化設計方案，利用優化技術來提高建筑的經濟性能。

2 建筑結構優化技術應該注意的主要問題

2.1 設計人員要注重細部優化

建筑設計人員必須注重整體設計，在整體設計的基礎上還要充分考慮細部設計，要加強對土建結構的精細設計。例如增加現澆板的受力程度避免拐角裂縫的出現、盡量劃分矩形板塊的現澆板設計，一般要保證建筑的穩定性，多采用按單筋矩形截面設計。

在計算機技術和優化設計理論相互結合的時代，優化技術已經從工程實踐問題逐漸向數學問題過渡，所以土建工程設計人員必須加強自身基于計算機技術的優化設計分析能力，從而提升自身設計的科學性。

2.2 建筑結構優化技術的應用要注意到前期的參與

土建工程建設前期的設計方案將對建筑項目的造價產生直接的影響，對設計進行優化是節約成本很好的做法，但是大多數前期方案的確定中多不包括結構優化設計技術，這樣就會導致相關的設計工作人員在進行土建結構設計時無法很好地考慮土建結構的可行性和合理性，這樣只會增加土建結構設計的難度，會致使結構設計工作成本不斷增加，所以土建結構設計人員在前期設計時必須充分融合優化設計方案，從而有效地節約土建成本。

3 土建結構設計優化方法

3.1 數學規劃法

數學規劃法是從結構的力學基本原理出發來對土建結構設計進行規劃的一種方法。運用優選法和數學規劃法等方法對設計變量尋找最優的解。一般情況下，數學規劃法比較適用于處理非線性的規劃問題，在其長期的應用發展中也形成了適用于多種情況的不同算法，有一定的通用性，也有非常嚴格的理論基礎，合理運用可以找到局部的最優解。當然，對一種特定的結構優化設計，還是要具體問題具體分析，依據實際情況來選取優化方法。

3.2 優化準則法

優化準則法是以工程本身為出發點在結構達到優化設計時要滿足那些準則進行研究的一種方法，例如能量的準則和滿應力的準則等。這種方法可以用迭代法來對這些準則的解進行準確的求解，所以這些優化的準則大部分都要依據現有的實踐經驗，通過一定的理論研究來分析并判斷所得到的，其設計可以接近最優，所以說是一種工程方法。

優化準則法有收斂較快的特點，其工作原理也比較簡單、直觀，一般是比較容易實現的。滿應力設計準則是最早提出的準則，這個方法可以最大程度地發揮材料強度的潛力。另外，準則法也可以處理彈性穩定、位移、自振頻率等方面的問題，一般是從Kuhn-Tucker條件出發來設計準則方程。但是準則法也有其缺陷，其主要適于土建結構布局和幾何形式已確定的情況，所以其適應范圍有一定的局限性。如果要同時考慮多種的約束，優化準則法就很難發揮其作用，在變量之間關系較為復雜的情況下就不適宜用優化準則法。

4 優化技術在土建結構設計中的應用

4.1 常見問題的優化措施

要實現土建結構的優化設計就必須在實際的工作中充分重視每一個環節的實用性和安全性，對于一些常見問題的優化措施可以歸于以下六點：（1）設計要盡量加大抗震縫的寬度，以防止地震發生時抗震縫兩側碰撞問題的出現；（2）要合理地設計懸挑梁，保證其符合標準，將其設置為截面可以有效地降低懸挑梁截面的應力，從而達到防止梁體變形的效果；（3）科學地設計連續梁，要嚴格避免其按照單梁設計，另外要合理地對連續梁支座上部的負筋配置進行設計；（4）構造柱的剛性一般要比承重柱差很多，而對于一部分位于承重梁下的構造柱應該按照承重柱的剛性標準來進行設計，以滿足其支撐作用；（5）筏、箱基礎底板挑板的陽角應該呈斜角或直角，若地下水位較高就應用基礎底板來增加建筑的抗浮性能；（6）在進行土建結構設計時要保證承重柱有充足的截面高度，要合理控制梁柱的線剛度比，從而增強建筑的耐久性和安全性，提高承重柱的抗震性能。

4.2 實用性與藝術性相互融合

在土建結構設計工程中，將實用性和藝術性進行有機的結合可以達到土建結構優化設計的效果。在具體的實際工作中，土建結構設計人員要保證建筑的安全性及經濟性，并在此基礎上來實現土建工程的美學性，設計方案要盡量融合美學性、安全性和經濟性。例如：土建結構的平面布局應具有一定的對稱性和規律性，這樣就可以有效地防止建筑物在巨大荷載作用下發生扭轉，同時也可以提高土建結構的美觀性。

4.3 概念設計

保證土建工程在各種因素的影響下能夠保持實用性和安全性是所謂概念設計的根本目標，要全面增強建筑的使用性能就必須重視概念設計，如果設計出現問題，就很有可能會造成嚴重的后果。例如：從地震對土建工程的影響來看，一般來說在地震發生之前我們是很難預見的，而且地震一旦發生憑借人的力量是根本無法控制的，所以在土建結構的概念設計過程中要把地震當作重要課題來進行研究。事后要盡量去降低地震帶來的經濟、社會損失，在土建結構設計中就要保證建筑材料的使用高性能，確保材料質量，要避免建筑物在受到地震作用后發生脆性破壞。除此之外，土建結構設計還可以采用延性設計，在地震發生時可以有效地降低地震對建筑物所產生的危害，可以起一定的防御作用。

5 結語

運用結構設計優化方法與傳統的結構設計相比較可以看出，優化技術能使土建工程造價降低約6%～34%，所以結構設計優化技術可以更好地實現土建工程的安全性，它可以使土建結構內部各個單元得到最好的協調，可以同時滿足土建的美觀性、經濟性和安全性，是符合建筑行業的未來發展趨勢的，但是其應用情況還不容樂觀，所以要對其進行應用和研究。

參考文獻

[1] 饒遠文.結構設計優化技術及其在土建工程結構設計中的應用[J].價值工程，2010，（9）.

[2] 任招賓.淺談建筑結構設計的優化設計和現實意義

[J].城市建設理論研究（電子版），2012，（2）.

[3] 藍倜恩.優化技術在土建結構設計中的應用[J].建筑結構學報，1981，（6）.