建筑結構設計的優化方法及應用研究

崔 勇

(山西中方森特建筑工程設計研究院，山西 太原 030002)

建筑結構設計的優化方法及應用研究

崔 勇

(山西中方森特建筑工程設計研究院，山西 太原 030002)

介紹了建筑結構設計優化的重要要求，重點討論了建筑結構設計的優化方法以及在房屋結構設計中的應用，目的是提升建筑結構設計水平、提高建筑工程項目的整體建造效果。

建筑，結構設計，優化方法，結構優化

0 引言

近年來，隨著國民經濟的發展和我國城鎮化建設進程的不斷推進，我國建筑工程行業獲得了蓬勃發展。在激烈的市場競爭條件下，建筑企業加強了對建筑結構設計的優化和應用，目的是在滿足建筑居住性要求的同時，提高建筑物的美觀度、實用性、安全性和宜居性，從而更好的滿足人們的需要。此外，建筑結構設計方案的合理性和科學性也影響了建筑工程項目建設過程中的資金使用情況。通過優化設計，能夠大大提高資金的有效使用率，提升企業的經營利潤。

本文重點討論建筑結構設計的優化方法以及在房屋結構設計中的應用，目的是提升建筑結構的質量，延長建筑物的使用壽命。

1 建筑結構設計優化的重要要求

建筑結構設計的改進引導著建筑行業的多元化發展趨勢，建筑結構設計水平直接影響了建筑物的安全性、舒適性、美觀性、經濟性和宜居性。隨著我國城市建筑用地的逐年減少，高層建筑物不斷涌現，高層建筑作為一類特殊建筑物對建筑結構設計的要求更高，必須不斷優化和改進設計方法，才能為建筑工程建設提供良好的方案。

在進行建筑結構設計優化的過程中，要將滿足建筑物的安全性和質量要求放在首要考慮的位置，同時要高度重視細節的研究和優化。可以充分參考利用新型建筑材料和建筑設計技術，充分發揮材料的性能優勢，從而有效的控制建筑項目的成本。要對建筑物的整體設計方案和局部設計方案同時進行優化，保證整體質量優良、部件質量過關的同時，注意協調不同結構部件之間的有機協調，提高建筑的適用性。

2 建筑結構優化設計的步驟

2.1 建立結構優化模型

建立結構優化模型是建筑結構優化設計的重要步驟，即通過選取建筑結構相關的參數，以參數為基礎建立模型后進行最優化的分析和處理，最終計算出模型的最優解。在建立結構優化模型中有兩個重要的任務，一是從大量的變量中選取科學、合理的變量作為模型參數，參數的選取直接影響了模型的正確性、有效性，也影響著模型優化求解過程的復雜度和工作量；二是目標函數的確定，目標函數是模型的主要組成，是優化求解過程的依據，目標函數還包括對相關約束條件的確定，例如強度、尺寸、應力、彈塑性等要求，約束條件的設置直接影響了模型的正確性。

2.2 優化設計計算方案

在模型、參數和約束條件確定后，進行具體的優化方案計算處理。在優化過程中，根據最優化數理統計的要求，需要將約束條件變為非約束條件后才能開展優化過程。要系統、全面的考慮相關參數、變量的約束，選擇合理的優化算法進行處理，以保證模型的收斂性、穩定性以及能夠獲得穩定的全局唯一最優解。

2.3 程序設計

在計算方案后，應用現代化的計算機技術進行程序的編寫，程序確定完畢后，只需進行參數和輸入就可以利用計算機自動進行優化處理并獲得最終的方案，此外，計算機能夠通過美觀、直觀和清晰的方式將最終結果展示出來。

2.4 結果分析

結果分析是指對計算機程序輸出的數據結果進行詳細的分析和比對，根據相關信息確定最終的建筑結構設計方案。要綜合性的考慮各類影響因素，包括經濟因素、政策因素、實現能力的因素等，盡可能保證設計方案的科學性和可行性。對于建筑工程項目來說，人力成本和時間成本是需要重點考慮的，因此優化設計的方案應當在保證建筑安全的前提下盡可能將這些降到最低。具體包括要在技術指標和經濟指標之間找到合適的平衡點，在滿足先進技術要求的前提下盡量節省建設資金。同時要認識到，采用新技術能夠減少不必要的資金、成本、材料和人力的消耗，應當鼓勵新技術的應用。

3 建筑結構優化設計的應用

3.1 整體優化和結構優化

建筑結構優化設計的整體優化應用包括房屋設計體系、結構體系和安裝體系的規范，而結構優化則是指對分系統、子系統進行優化和設計，使其能夠更好滿足居住需求，同時各個分、子系統之間能夠協調配合。從另一個角度來說，建筑結構設計涉及到大量的零件、材料、結構選型等內容，如果想實現設計方案的良好應用，必須從整體角度出發、兼顧結構和局部的優化。

圖1為某設計方案對于建筑的整體和局部結構的優化設計方案。

3.2 壽命優化和分段優化

應用建筑結構設計的優化方法能夠促進建筑物的應用壽命，延長使用時間，從而提升建筑工程企業的經濟效益。建筑結構設計具有時效性，建筑物隨著事件的推移對結構、材料和技術的應用也在不斷變化，每個不同的應用階段都有不同的優化需求。因此結構設計優化方法的應用要重視分段優化，以滿足不同時間段內的需求。

3.3 上部結構優化

上部結構優化主要是指對剪力墻結構的上部結構進行優化，即通過對剪力墻的合理布設，使剪力墻的整體質量均勻，保證整個樓層結構的重心與樓層平面剛度中心重合，在嚴重的外力影響下，例如地震、狂風等，能夠減弱其對剪力墻的影響。在一定的條件下，可以盡量使用大開間的剪力墻，通過將墻肢長度進行延長，能夠在滿足需要的前提下減少墻肢的數量，從而大大減少對于混凝土的使用。由于剪力墻的抗震、抗外力性能較差，在對抗震性能要求較高的區域內應當盡量減少大開間剪力墻的設計和應用。

3.4 結構同建筑的協調優化

在建筑結構設計優化方案具體應用的過程中要盡量保證結構和建筑整體平面的協調與配合。例如在進行墻壁、建筑柱的設計時，應當盡量保證滿足建筑物內部平面的使用需求，保證房間內開間、進深的統一。墻與柱不能出現錯位，設計和布置要盡量簡潔，不同樓層的墻與柱的高度和截面面積等參數要保證一致。在進行電梯、樓梯等的設計時，要選擇高強度的承重構件應用于轉角區域，該區域的應力集中，因此要注意應用降低自重的措施，對于其中不能承重的構件，可以考慮使用較輕的器材進行替代。

3.5 優化步驟的分解

建筑結構設計的模型一般由若干參數、約束條件等組成，模型的優化步驟較為復雜，一般模型整體不滿足穩定最優解的要求，而必須采用分步驟優化的方式。首先將模型分解為若干個問題進行單獨的優化處理，獲得子問題的穩定最優解，其次對子問題進行循環優化的調整，從而獲得整體模型的最優解。

3.6 建筑結構地基的結構優化

對于建筑物尤其是高層、超高層建筑來說，地基對于整體的安全性、穩定性至關重要。在進行結構設計的過程中，必須首先對建筑物所處區域的地質情況、地形情況以及周邊的建筑、管道布設情況進行實地勘察，在此基礎上進行優化方案的設計，一方面能夠滿足建筑物的安全、穩定需求，提高建筑物的整體質量；另一方面也能避免一些不必要的施工，降低整體的施工成本和費用支出。

3.7 其他應用優化

除了針對模型、參數和約束條件等方案技術內容的優化，在實際應用中，還應當重視對建筑結構施工程序的優化與設計，目的是通過采用合理、科學的施工程序，保證施工步驟的有序執行，保證方案的最優實現，提升整體施工質量。

4 結語

對建筑結構設計的優化和應用對于提升建筑施工水平、延長建筑使用壽命、提高居住者的滿意度等都具有重要意義。應當加大對建筑結構設計優化的重視程度，根據具體應用情況進行調整和改進，不斷提升房屋建造質量，提高建筑工程項目的整體建造效果。最終實現提升建筑行業的整體水平，提高建筑工程企業的經濟效益。

[1] 丁 博.試述建筑結構設計優化方法在房屋結構設計中的應用[J].建材與裝飾,2015(51):65-66.

[2] 張愛霞,周世忠.建筑結構設計的優化方法及應用分析[J].低碳世界,2016(7):153-154.

[3] 葛 洋.房屋建筑結構設計中的優化技術應用研究[J].四川水泥,2015(10):130.

Study on optimizing methods and application of building structure design

Cui Yong

(ShanxiZhongfangsenteBuildingEngineeringDesignAcademy,Taiyuan030002,China)

The paper introduces important demands of building structure design optimization, mainly discusses building structure design optimizing methods and its application in housing structure design, with a view to improve the building structure design level and enhancing integral building engineering project construction effect as well.

building, structure design, optimizing methods, structural optimization

1009-6825(2017)22-0027-02

2017-05-25

崔 勇(1963- )，男，高級工程師

TU318

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