建筑結構設計優化方法在房屋結構設計中的應用

趙豐

【摘 要】房屋結構設計中，應用建筑結構優化設計方法可以滿足這一要求，保證建筑美觀、造型優美，同時又能夠便于房屋的施工，使房屋安全、經濟、適用。在進行建筑設計的實踐過程中，應加強實踐探索，降低經濟成本，以達到經濟效益的最大化，從而在保證經節約經濟成本和達到美觀要求的情況下合理進行結構設計。

【關鍵詞】建筑結構設計；優化方法；房屋結構設計

一、結構設計優化方法的理論基礎

在進行工程項目和結構設計的過程中，需要考慮的因素很多，最終目的是要在保證設計對象基本適用功能和安全可靠性的情況下，把設計對象設計到最好的程度。這就涉及到工程和結構最優化的問題。用科學的語言來描述就是：利用確定的數學方法，在所有可能的設計方案的集合中，搜索到能夠滿足預定目標的、最令人滿意的方案。

從建筑理論上分析結構設計優化方法可以得知，結構設計優化方法主要體現在兩個方面，其一是房屋工程部分結構的優化設計，其二是房屋工程結構總體的優化設計。后者的優化設計包括：屋蓋系統方案的優化設計、圍護結構方案的優化設計和結構細部設計的優化設計。穿插其中的，還包含選型、布置、受力分析、造價分析等項目，在實施過程中，應遵循一定的原則，結合具體工程的實際情況，從實際出發，圍繞房屋建筑的綜合經濟效益目標進行結構優化設計。

在設計安全被保證的情況下，建筑師應開拓創新，挑戰新的結構形式。在建筑結構設計的過程中，建筑師的設計意圖應能夠得到基本滿足，應設置盡量符合規則的平面布局，使其對稱；同時縮小質量中心和剛度中心的差異，使建筑物在水平荷載作用下不致于產生太大的扭轉效應。在豎直方向的布置上，應確保在滿足功能要求的情況下，盡最大可能貫通豎向的承重構件；為使結構分析和設計上的難度不致于太大，減少不必要的經濟浪費，使應力分散，轉化層應盡可能少地使用；豎直方向的剛度要漸變，而不要突變，如若不然，在水平荷載作用下，突變處會產生嚴重的應力集中現象，這是非常不利于結構抵抗水平動力荷載的。

二、結構設計優化技術的意義所在

在房屋結構設計中運用建筑結構設計可以起到非常好的效果，這不僅可以使房屋看起來更加美觀，用起來更加實在，而且也能夠節省大量的造價，起到良好的效果。幾乎每一個建筑商都希望，在建筑結構的長遠效益得到滿足的情況下，應盡可能地降低建筑結構的近期投資，與此同時，保障建筑物結構的可靠性和科學性。只有這樣，才能順利實現可持續發展，得到更多、更大的經濟效益。

采用設計優化的方法與采用傳統房屋結構設計方法相比優點是十分明顯的，它可以使建筑工程造價得到大幅度降低，降幅達到35%。要實現優化方法的技術性問題，材料的性能要合理利用起來，爭取協調好建筑結構內部的各單元，達到建筑規范所規定的安全水平。同時，優化方法的技術性實現還可以合理決策建筑整體性方案設計，它可以有效實現建筑設計的經濟化、實用性和適用性的良好目標。

三、結構設計優化技術在建筑結構設計中的步驟

（一）結構優化模型

房屋結構整體優化設計方法分以按 3 個步驟進行。首先 ，選擇設計變量。一般把對設計要求起主要影響作用的參數作為設計變量 ，如目標控制參數（結構造價 C1 和損失期望 C2）和約束控制參數（結構的可靠度 PS）；而將那些對設計要求來講 ，變化范圍不大或是根據結構要求或局部性的設計考慮就能滿足設計要求的參數等作為預定參數 ，這可以大大減少設計、計算和編制程序的工作量 ；其次 ，確定目標函數。尋求一組滿足預定條件的截面幾何尺寸和鋼筋截面積以及失效概率 ，從而使總費用最小 ；第三 ，確定約束條件。房屋結構基于可靠度優化設計的約束條件 ，則包括尺寸約束、結構強度約束、應力約束、變形約束、裂縫寬度約束、構件單元約束、結構體系約束、從正常使用極限狀態下的彈性約束到最終極限狀態的彈塑性約束、從可靠指標約束到確定性約束條件等。在設計中 ，要使結構優化設計應用于實際房屋結構工程 ，則是路房屋結構設計中實際的約束條件與目標約束條件相比較 ，保證各約束條件都符合現行規范的要求 ，以實現最優設計。

（二）設定優化設計計算方案

房屋結構基于可靠度的優化設計問題屬于比較復雜的多變量、多約束非線性優化問題，一般情況下，在計算過程中，應轉化問題求解，即將有約束優化問題轉化為無約束問題。可以利用起來的優化設計計算方法有復合形法、拉氏乘子法、Powell法等。

（三）進行程序設計

根據基于可靠度的結構優化模型和選擇的優化設計計算方法，編制功能齊全、運算速度快的綜合程序。

（四）結果分析

對計算結果進行分析，確定最優設計方案。

在上述步驟的執行過程中，涉及的問題包括多個方面，所以要全方位、多角度地考慮。這主要是因為建設投資這項工程的耗資非常大，涉及到的情況非常多，所以，總法則和考慮必須綜合進行，不能片面地追求資金的節約而不顧設計的優化作用。技術與經濟之間存在一對矛盾，要能夠正確處理，因為它是控制投資中至關重要的環節。因此，在設計中片面強調經濟節約是不正確的，應滿足技術上的相應要求，使項目達到相應的功能傾向，與此同時，要反對重視技術，輕經濟、設計保守浪費的現象。

四、結語

總而言之，建筑結構優化設計方法的研究涉及面廣泛，具有十分復雜的特點，是一項綜合決策問題。適用、經濟、安全、便于施工和美觀是建筑工程設計優化追求的五種效果，而這五個方面的側重點各不相同，相互之間又存在一些矛盾的地方，所以，在進行建筑設計的實踐過程中，應加強實踐探索，降低經濟成本，以達到經濟效益的最大化，從而在保證經節約經濟成本和達到美觀要求的情況下合理進行結構設計。

【參考文獻】

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