房屋建筑結構設計中優化技術應用探討

張瑤+冷超群

摘 要：隨著人民的生活水平也在日益提高，人們對于住房的需求不僅僅再停留在技術表面上，而且是開始更多的關注房屋的質量以及美觀性。需求的增大勢必刺激房地產商越來越關注房屋建筑結構設計的技術應用的優化。在房屋建筑設計中要盡量保證房屋結構設計的美觀和經濟性。建筑企業對房屋建筑結構設計的技術應用進行優化，不僅能滿足消費者在房屋外觀美觀以及房屋使用經濟等方面的多樣化需求，還能在今后的房屋建筑結構設計領域中不斷創新施工技術。本文簡述了房屋建筑結構設計的基本內容，說明了結構優化設計現實意義，闡述了房屋建筑結構設計中的技術應用優化的必要性以及有效措施。

關鍵詞：房屋建筑結構；設計；技術

隨著國民經濟的快速發展，不斷提高的現代化生產和人民生活水平促使房屋建筑結構設計者不斷優化設計水平。在新的時期，建筑施工企業首先就要從其施工質量入手，而建筑結構的穩定性需要根據施工地點的實際情況以及施工的各種要求對建筑結構進行科學合理的設計，這樣才能為人們的生命安全提供必要的保障。隨著人們生活水平的不斷提高，建筑物的質量也要隨之提高，這樣才能夠與人們的要求以及市場需求相適應。在滿足各種規范和某些特定要求的條件下，功能強、造價低、安全可靠成了房屋建筑結構設計師追求的目標，該目標的實質就是深入研究房屋結構設計方法，不斷優化建筑質量結構。

1 房屋建筑結構優化設計內容

1.1 優化結構設計選型

房屋工程分基礎結構方案的優化設計、屋蓋系統方案的優化設計和圍護結構方案的優化設計和結構細部設計的優化設計。在實施過程中，還應該結合具體工程的實際情況，圍繞綜合經濟效益的目標進行結構優化設計。進行結構設計時，應在滿足平面布置規則下縮小剛度和質量中心的差異，控制了建筑物的水平荷載。豎直方向上應減少應力集中現象。

1.2 優化輸入荷載

風荷載受地形、地貌、周圍建筑環境等因素影響，與房屋建筑結構的幾何外形相關，對具有顯著非線性特征的結構可能產生流固耦合效應。風荷載需要考慮靜力和動力的雙重特點。

2 房屋建筑結構優化設計的實際意義

2.1 有助于降低總造價

在房屋建筑結構設計中，合理應用建筑結構優化設計方案，不僅 能夠提高建筑物的使用價值，還有利于環保，促進可持續發展，有助于實現建筑物的經濟價值。進行結構優化設計中，高層住宅的層數越多總建筑面積增大，占用土地面積就越小，從而節約了用地成本。但建筑層數的增多，建筑物間距也要加大，這時占用的土地節約量與建筑層數增加就無法用比例計算了。另如屋蓋并不會因為層數的增加而有所改變。對于基礎部分來說，雖然是層數增加但是傳給基礎的荷載將會增大，單位面積的造價有所降低但卻沒有屋蓋的效果那樣明顯。選擇好的結構設計方案可以最大限度降低建設成本，保護施工現場的生態環境與經濟利益 完美融合。開發建筑物的原則就是以最少的建設使用年限較長的建筑物，建筑結構優化設計正好滿足了建設單位這一需求。優化設計方案除了能在保證建筑物耐用的基礎上，還滿足更多人不同的要求。

2.2 提高建筑結構經濟性

建筑層高增加，其墻體面積和柱體積增加，結構的承載力相應增加。與傳統的結構設計相比，采用結構設計優化可以使得建筑工程造價降低5%-30%。技術性的合理利用材料性能能使結構內部各單元得到最好的協調，實現造價方面有較大的節省，通過使用優化設計手段可符合市場可持續發展的需求。在建筑施工中，混凝土是建筑施工中作為主要的建筑材料，選擇這種材料的時候應該盡量選擇等級較高的混凝土產品，一般來說，混凝土強度每提高一級單價就會提高4%一6%；采用高強度混凝土可以從建筑部件的橫截面入手，最大限度的提高房屋的實際使用面積，例如：梁構件可通過減小混凝土強度等級，且有利于提高梁的抗裂性能。其次可以通過采用高強度的鋼筋減小了截面的有效高度，在不影響使用下合理增大梁截面寬度。

3 房屋建筑結構設計中優化技術的應用

3.1 設計方案的技術優化

房屋建筑結構設計的優化在動工之后在開始是不現實，所以對房屋建筑結構進行優化 設計必須始終貫穿在房屋建筑的始末。結構設計優化設計屬于一個非線性的優化問題，設定中常用的方法有拉氏乘子法、符合型法、Powell等。完成計算方案后只需編制相應適用的運算程序即可。在結構方案設計前期形成一個參考的框架，對房屋建筑主體結構以及各個子結構的具結構設計要進行優化。

3.2 構建優化建筑結構設計的模型

結構設計優化是運用科學合理的方法得出最優解。結構總體的優化建立模型的設計，首先是設計變量的合理選擇，通常的設計變量將所涉及的對變化影響不大的參數定為預定參數，通過這種方法可減少很多計算編程的工作量。其次是目標函數的確定。使用函數可以保證各約束條件符合規范要求。

3.3 建筑地基結構設計

地基是整個結構設計里的主要部分，房屋的承載力以及水文地質條件以及抗震性等都要去進行綜合的協調還有處理。因此，對于 房屋的建筑結構設計來講，首先要考慮的就是剛性非常強的基礎類型；在建筑的基礎寬度處于3米之上的時候就要運用一些柔性比較強的基礎類型。。

4 框架設計的分部優化技術

4.1 分布優化的設計

首先是通過整體內力分析得到各梁和各柱的彎矩、剪力和軸力，其次是在求得內力分布狀態下進行各梁、各柱優化截面和配筋選擇下得到新的設計方案，這樣使得連續兩次得到的方案足夠的接近。分部優化可能出現在兩個或幾個近似的即使收斂。結果方案是根據工程經驗選用其中的某個近似最優方案。最后對得到的結果方案再進行一次整體內力分析，檢驗方案的可用性。

4.2 框架梁的最優截面尺寸

框架梁的內力是由框架結構整體內力分析確定的，在考慮荷載效應組合和活荷載的最不利布置下畫出彎矩包絡圖，以便使工程技術人員根據自己的經驗在25-35%的幅位范圍內隨意設置梁端彎矩，從而大大地加速迭代收斂。

4.3 彎矩最優剛度分配

最優剛度與跨內最大剪力和最大撓度系數有關，可通過每一梁段的固端彎矩求出相應的數值。將判定后的最優剛度作為初始值。按此剛度求得新的最大彎矩、最大剪力和最大撓度系數，再計算出支座彎矩，據此可形成所謂的彎矩最優剛度分配法。其具體應用步驟為：一是計算每跨梁在荷載作用下的包括端點在內的跨內最大彎矩 、最大剪力 ，及最大撓度系數。二是分配各結點之不平衡彎矩，從左到右逐個傳遞分配彎矩，將左結點傳來的彎矩與該結點分配的彎矩按照順序傳遞，同時仍需對原來的不平衡彎矩進行分配，直到最優剛度趨于穩定止。

總的來說，結構設計優化不僅能夠提高建筑的整體性能，而且能夠在滿足建筑使用功能的前提下提高經濟效益。盡管結構優化設計應用上困難很多，但是作為一個房建結構設計工作者，應該勇于進行工程實踐，為推動房建結構優化設計的學科發展做出應有的貢獻。

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