淺析房屋結構設計中建筑結構設計優化方法的應用

郭春波

(山西省永濟市建筑設計室， 山西 永濟 044500)

隨著人民生活水平的提高，他們對于房屋的功能提出了更高的要求，同時土地價格以及建材物料價格的不斷上升，極大地增加了房屋建設時的成本，給開發商帶來不小的壓力。面對當前的局勢，既要滿足人們對房屋功能的需求，又要保證房屋的質量安全，還要節約成本減少房屋的造價，開發商必須尋求更先進的方法和手段，以達到在有限的空間上，使用最少的資源建造出安全適用的房屋。建筑結構設計優化方法則能夠幫助開發商很好地完成這一任務。

1 建筑結構設計的優化方法

建筑結構設計優化方法就是通過對建筑結構的不斷優化，以實現其科學合理經濟目標的一種手段，優化方法具有以下三個步驟：

（一）建立數學模型。建筑結構的優化設計，首先便要根據建筑的預設建立科學的數學模型，這個數學模型的作用在于能夠對其進行相應的數據分析和結構分析，從而判斷預設的結構是否科學合理，繼而指導設計工作的不斷優化改進。

（二）保證建筑結構的質量。對建筑結構設計進行優化，必須要在 保證建筑質量與安全的前提下開展。建筑的質量與安全跟結構設計聯系緊密。根據建筑的總體要求，在設計結構時要盡量保證剛度中心和質量中心相差不大，以確保建筑不會在水平作用力下發生較大的扭轉。另外建筑在平面上的結構盡量規則對稱，垂直方向的支撐架構需要始終在一條稱重線上。

（三）結構數據分析。第一步已經建立了數學模型，這時便需要選用合理地算法和以及迭代控制方法來進行建筑結構的理論數據分析，從而解決出現的問題。另外，第二步中的建筑結構的質量安全問題，可能在經過部分數據分析之后會難以排除其存在的問題，這就要求設計者必須選擇最全面科學的優化算法，以達到最終的目的。

2 建筑結構設計優化方法在房屋結構設計中的意義

（一）保證房屋結構安全與功能兼備。功能是建筑建設需要達到的目標，二安全是建筑建設必須做到的指標，兩者都是十分重要的。建筑結構設計的優化方法可以根據建設對功能的需要，展開對結構材料、應力作用和結構造型的分析和優化，使其達到結構科學合理的標準。如承重柱始終在一條承重線上，圓形的建筑結構受力更強，三角形的建筑結構相對穩定等。優化方法是使房屋功能和安全性都盡量達到最優的一種途徑。

（二）合理降低建設成本。對于一個建筑工程，最終的利潤是企業的重要目標。在建設過程中，如是多層建筑，為了保證建筑的功能與基本的安全性，必須對承重墻、承重柱、承重梁等加大投入，以提高它們的抗震性能和承載能力，但隨之相應地也就增加了資金的投入，增大了建設的成本。然而，建筑設計的優化方法可以有效地降低建設成本。通過對建筑的結構上的設計，增強其受理性和抗震性等，以減少物料的使用。在保證功能與安全性的前提下，能夠設計出更合適的結構方案進行建設，實現功能、安全性與經濟一起抓的目的。

3 優化方法的實際應用

（一）優化結構模型

對房屋進行整體結構的優化設計，通常包括三個步驟：第一步，設計變量的選擇。設計變量的選擇主要以設計要求為依據，比如目標控制的相關參數等。而從設計的角度來看，一般選擇變化波動較小，或是根據局部的設計和結構要求就能夠滿足設計需求的參數。這種參數選擇方式能夠盡量減少設計和編程計算的工作量。第二步，目標函數確定。目標函數是設計工作的指導方向，尋找到滿足設計所需要的元素的一組方案，使工程投入費用降到最低。第三步，滿足約束條件。約束條件是一個建筑建設過程中必須始終滿足的對象，其內容包括結構的強度、應力、尺寸、變形、單元構建和結構體系等，在實際的設計工作中，要保證設計出來的結構，其各項約束條件都滿足目標的約束條件，也即符合規范的設計要求，從而做到最優的設計。抗震規范GB50011-2010第3.6.6條明確規定，所有計算結果，應經分析判斷確認其合理、有效后方可用于工程設計。

（二）整體和局部的優化

任何一個建筑項目，都一定具備層次性和復雜性兩個特點。就層次性來講，它包括了建筑的設計體系、結構體系和安裝體系，這三個大體系之下又包括一個個小的下屬體系，在房屋結構的設計過程中，設計人員需要對下屬系統進行優化，以打破多個布局之間的關聯作用，從而進行工程的疊加。就復雜性來講，它包括了選取結構類型、選取零部件和選取建筑材料等方面。從兩大特點綜合來看，在設計中放在第一位的都不是應該局部整體而是整體，這樣，才能夠達到最優的優化設計。

（三）優化建筑主體

建筑主體決定了房屋的安全性和可靠性。在房屋上部的結構設計中便應該首先建立模型并不斷進行優化。過程的第一步是剪力墻的設置，保證其整體質量均勻，從而使剛度中心與結構中心重合，提高建筑對地震和大風的抵抗能力。在設計中，如果滿足條件，那么應盡可能地加大剪力墻的長度以減少剪力墻的數量，這樣有利于加強剪力墻的穩定性同時降低混凝土的消耗。在剪力墻中一般會設置鋼材暗柱，如果剪力墻設計較大則可以相應地減少鋼筋的使用，從而降低成本。但如果建筑本身不滿足設置較大剪力墻的條件或是要求建筑具備較高的抗壓抗震能力，那么就不能進行較大剪力墻的設計。

（四）優化排水系統

排水系統所在的房間通常進行機械設備的存放，由于較大的荷載能力以及荷載強度，應該盡可能將排水系統建在低下室的房間中，根據國家的有關標準，設計管道的預留尺寸和預留深度，并對樓板鉆孔的位置進行加固。另外，對于水平走向的管線也需要加以考慮，查看其是否有穿過稱重墻稱重柱的現象，應極力避免這種現象的出現。如果因為各項綜合因素或考慮，無法避免管線穿過相關稱重件的時候，那么就需要對被穿的稱重件重新加固。

（五）優化節約設計

建筑的設計在除去建筑的安全性、功能性上，最主要的目的顯示為了降低工程建設的投入，從而提高房屋的建設效益，因此，控制工程的造價便是關鍵問題。在設計中通常以優化結構的設計來降低造價。常規的房屋結構包括框架結構、剪力墻結構、框架和剪力墻結合的結構。這三種結構都存在各自的優缺點，結構方案的設計中需要對這三種結構的優缺進行深入的考量，結合實際的房屋需求，同時對造價和效益進行考慮，以設計出最節約的方案。

4 小結

建筑結構設計的優化方法能夠在對建筑建設的功能性、安全性以及經濟性上進行科學合理的設計優化。在當前土地和建材的價格都在持續上漲的今天，建筑結構設計的優化方法憑借其優越性在房屋結構設計中得到了廣泛的應用。優化方法種類很多，這里需要設計者根據實際的情況，選擇合適的方法進行優化設計。其合理的運用必然能夠給房屋的使用者帶來舒適與安全的用房體驗，同時給開發商帶來更高的經濟效益，將有利于社會和諧與發展。