建筑結構優化設計可行性研究分析

徐 超，張 寧，王春林

（赤峰學院 建筑與機械工程學院，內蒙古 赤峰 024000）

建筑結構優化設計可行性研究分析

徐 超，張 寧，王春林

（赤峰學院 建筑與機械工程學院，內蒙古 赤峰 024000）

通過一系列調研對結構設計存在的問題、結構優化設計方案的可行性及實施方法進行分析總結.本文可以為建筑行業結構設計提供明確的優化設計方法，一定程度上降低結構工程成本，可供實際工程設計參考.

結構優化；結構設計；公共民用建筑；可行性分析

隨著我國經濟的發展，黨的十八大報告首次正式提出全面“建成”小康社會.老百姓對物質生活要求變高，越來越多的中國人愿意在第三產業發達的城市生活，據統計2015年北京常住人口達到2170.5萬人次，其中四成人屬于其他城市前來務工人員，加大了一線城市住房壓力.隨著人口的繼續增長，建筑物越來越多，土地資源、住房等變成了中國百姓的剛性需求，但是土地資源有限，進而土地價格越來越高，從而導致了建筑商的建筑成本也越來越高,隨之而來的住房問題也日益突出，尤其以北京、上海等一線城市房價居高不下，百姓住房滿意率降低，雖然政府出臺了一系列政策，但是仍然有社會負面現象的存在，例如，學區房坐地漲價，炒房現象日益嚴重，“房哥”“房姐”等新型詞匯在網絡上層出不窮.面對突出的住房問題，從結構設計層面上解決部分相關問題近些年也被重視起來.

建筑結構設計所遵循的三大原則是安全性、耐久性、和適用性，在滿足建筑結構三個原則的基礎上追求經濟效益的最大化就是建筑結構優化的根本目的所在.我們首先要深入了解什么是結構優化設計、結構優化設計的意義何在、我們為什么要進行結構優化設計、結構優化設計是否具有生存空間、結構優化設計方法的實現途徑是什么？這些問題都是我們要探討研究的事情.本文圍繞上述問題研究分析并進行闡述.

1 結構優化設計定義

建筑結構的優化設計是指在特定的限制條件內，完成預定設計目標（例如：重量輕、強度最高、剛度最大、成本最低）的最優設計方案，也可以將此方案稱為結構最優設計或者最佳結構設計.其中在保證安全性、適用性、耐久性的前提下，強調整體設計的成本最低是當今建筑市場、建筑行業所追求的熱點.追求成本最低使得甲方建筑成本降低，從而在某種程度上緩解了老百姓的購房壓力，也有助于當今中國社會的和諧與穩定.

2 結構優化設計必要性分析

進行結構優化設計的必要性圍繞著材料成本、結構設計人員、設計企業、結構科研軟件、業主甲方以及施工方等方面進行闡述.

2.1 材料成本需求

在中國社會，常見的建筑結構形式按材料類型分為鋼結構、砌體結構、鋼筋混凝土結構.所需鋼材、混凝土、砌體等常見材料的價格成本占主體結構總成本的50%以上，所以進行結構的優化設計，找出最優最省的結構設計方案，可大大降低材料的損耗，從材料上降低成本，另外節省了建筑使用材料對我國生態環境、固有資源也會帶來良性的影響，例如：砌體結構中的紅磚，需要經過磚廠的煅燒工藝，此生產過程使用大量的粘性土，浪費土地資源；煅燒過程中也難免造成環境污染現象.

結構設計人員專業素質水平參差不齊，有些設計人員完全依賴結構設計軟件，在進行結構設計時，設計方案偏于

2.2 結構設計人員因素

保守，勢必會造成結構設計作品的不合理，進而在設計院常出現結構設計不是最優設計，將這樣的圖紙應用到施工第一現場，增大了建筑成本，所以對結構設計人員進行專業培訓的同時有必要對結構設計圖紙進行結構優化.

2.3 建筑設計企業

據統計，設計責任是造成建筑工程質量事故的主要因素，占據了大約40%的比例，現階段各個設計單位水平良莠不齊，設計質量差導致停工、返工的現象很普遍；另一方面，設計單位缺乏成本意識，盲目追捧“算不清，配鋼筋”的錯誤思想，設計保守，造成資源浪費，進行合理的結構優化設計，能夠幫助業主提高設計質量，消除不必要的質量缺陷和工程風險，在減少非必要投資的前提下獲得高品質的建筑，也符合創建節約型社會的宗旨.

2.4 業主、甲方因素

由于設計單位沒有主動控制成本的意識和動力，加之設計師時間緊，任務重以及能力不足等因素，業主并不能奢望設計單位幫助其進行成本控制，必須另謀出路.結構優化設計工作往往并非甲方的核心業務，與其耗費較多的人力、物力和財力去做，還不如將其委托給專業人員完成，以便將有限的資源用在更有效率的工作中，從而創造更多的價值，提高企業的核心競爭力.

2.5 結構科研軟件的局限性

設計院所做的結構設計圖紙一般通過科研軟件來實現，軟件的局限性勢必造成結構設計的不合理性，舉一個例子：做一個民用建筑框架結構，主要用途為教學辦公，如果其中一個空間為化學實驗室，里面存在著揮發性物質，那么規范要求對此空間應按照正常使用的極限狀態設計理念進行設計，要求梁、板、柱等構建不允許出現裂縫，可是軟件沒有對整個結構的某一個空間單獨定義的功能，我們知道，混凝土構件正常工作一般是允許裂縫存在的（特殊要求除外，例如化學實驗室等），這樣結構的所有空間按照同一設計理念進行設計是存在不合理性的，通過結構優化設計可以避免這一現象的產生.

2.6 施工第一現場

現在好多工程都存在設計單位和施工現場不在同一城市或同一區域，結構圖紙出現不符合施工現場環境的情況或者出現結構圖紙有錯誤的情況普遍存在，施工技術人員與結構設計人員溝通不方便，圖紙變更變得困難，為了避免類似情況發生，結構優化設計更顯得尤為重要.

3 結構優化設計的生存空間

結構優化設計企業利用結構專業知識對民建施工一線的工程圖紙進行結構優化，主要盈利方式是將設計院結構施工圖紙最大限度的進行優化處理，使得工程在保證結構安全的前提下追求利益最大化，優化后的結構圖紙與原圖紙比較，經過圖紙預算后，從差價中賺取提成，同時工作室承接項目結構變更業務，為施工第一線提供最大的便利及經濟效益.只要結構工程中出現文中“為什么要進行結構優化設計”所闡述的五方面問題，那么結構優化設計就有足夠的生存空間.

4 結構優化設計的實現方法和途徑

如何優化結構設計，從哪些方面入手是結構優化要解決的首要專業問題，根據從事設計經驗進行總結分析，歸納到以下四點：

4.1 結構形式的優化

隨著結構設計的日趨完善，異形結構越來越多的出現在了結構優化圖紙中，有些異形柱是為了結構的特殊性，也有的是為了建筑的整體美觀要求，還有的是為了節省材料.例如為了防止柱子凸出墻體而采用T形柱作為邊柱，采用L形柱作為角柱，在保證強度和剛度的前提下，采用這兩種截面形式的柱子可以有效減少柱子凸出墻體現象的發生，保證建筑空間的完整性，并節省了建筑材料.

4.2 建筑結構抗震設計的優化

良好的抗震結構體系往往由多個延性較好的分體系組成，各分體系之間利用延性較好的結構構件連接.鑒于地震過程中存在著多次余震，必須保證主要耗能構件有足夠的延性和必要的剛度，來保障吸收地震的能量，提升抗震性能，避免出現大震倒塌的現象.在設計過程中要處理好構件剛度和延性的強弱關系，盡量保障在同一樓層內的主要耗能構件屈服后，其他的抗側力構件仍然處于彈性階段，延長“有效屈服”時間，提升結構的延性和抗倒塌能力.

4.3 建筑結構平面優化

如果建筑結構的平面并不規則，則會在設計過程中引起剛心、重心和質心不在一點，導致結構在使用過程中發生扭轉，并且在水平荷載如地震荷載的作用下出現扭轉振動.為了避免這類現象的出現，建筑結構的平面應采用方形、圓形、矩形或正多邊形等簡單的形式.若因某些原因無法全部采用簡單的平面形式時，應該盡可能控制平面的不規則程度，使其在規范允許的范圍內.

4.4 建筑結構靜力分析方法優化

常用的靜力分析方法有如下幾種：彈性靜力法、動力彈性分析法、靜力彈塑性分析法、動力彈塑性分析法等.多數情況下建筑結構的內力是根據按彈性方法計算得到的，往往忽略了塑性變形時的內力提高，這樣會導致計算結果不準確，設計截面偏大，造成的材料浪費，工期的延長等結果.因此，除了符合桿系特征的桿件選擇彈性靜力法設計以外，其他構件可以采用有限元法來進行輔助分析，此部分工作也可以由結構優化設計完成.

5 結束語

利用結構設計優化的技術方法，能提高有限的空間、有限的資源，讓其最大化的效果發揮，實現了經濟化、實用性和適用性的良好目標.滿足了建筑產品的品質要求不斷提高的目的，實現了人們對于居住條件及生活環境的要求不斷提高的需求，同時，這也實現了建筑商不斷尋求新的手段來滿足顧客的需求，達到降低建筑工程造價成本的目標.

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〔2〕白真武.淺析概念設計在建筑結構優化設計中的應用[J].建材發展導向，2015（5）.

〔3〕馬魁.論房屋建筑結構設計中應用優化技術[J].現代商貿工業，2013（5）.

TU318

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1673-260X（2017）09-0049-02

2017-06-07