建筑結構設計中設計優化方法的應用

儲開文 （中冶華天工程技術有限公司，安徽 馬鞍山 234000）

1 建筑結構設計的五種優化方法

1.1 對數據模型進行優

在進行結構設計優化時，可以采取多種優化方法，而數據模型就是優化的基礎。所以，在進行結構設計時，應根據實際情況建立數學模型，與此同時，通過科學、有效、合理的優化方法來對結構設計進行相應調整，以達成最好的效果。在對房建結構的數據模型進行優化時，首先是挑選合適的設計變量，保持牽動條件比較小的預定變量，再以減少資金投入控制建筑成本為目標，創造以建筑尺寸和有關數據所代表的目標函數，再結合房屋的預應力因素、結構強度因素、變形要求和尺寸數據，充分考慮建筑結構的所有限制因素，以實現最好的房屋結構的設計標準。

1.2 對數學計算進行優化

結構設計的優化與非線性數據是相關的，其中含有許多的限制條件以及變量。在實際進行優化時，經常會用到符合型法以及拉氏乘子法等方法，將限制條件更換成無限制條件，把計算過程簡化，然后再通過一定的運算程序，就能獲得建筑結構設計的最佳方案。

1.3 對概念設計進行優化

在優化時，不可以只通過計算機設計軟件對結構進行優化，還需要與實際人工有機結合在一起，將概念設計的作用完全發揮出來。比如，在對建筑材料進行挑選優化的時候，最佳的方案是通過人工對各種材料的性能進行相關分析；在設定對應的技術參數時，最佳的方案是運用計算機的設計軟件來優化設計標準。雖然進行設計時，可以通過計算機軟件完成數量巨大的計算問題，這是人工無法快速完成的，但是計算機軟件無法依據建筑的實際情況制定出最合適的設計方案。因此，在結構設計時，一定要根據實際情況，合理的使用計算機軟件以及人工兩種方法，來對概念設計進行有效的優化。

1.4 對加固過程進行優化

為了確保建好的建筑物可以長久安全的使用，就必須在施工的時候制定出符合規定的加固方案。從某種程度上說，建筑物的加固方案其實對于其使用性能是其決定作用，如果加固方案的設計出現失誤或者是失敗，就會對建筑物的安全使用造成非常大的威脅，不能達到建筑物的最基礎的使用標準，也會由此給建筑工程造成無法估算的經濟虧損。建筑物加固工程的重點是對其方案的制作，因為其存在設計方向很難更改，需求的單一性、供給的多樣化等特征，只要加固方案已經確定在加固工程中進行實施，后期就很難對其進行調整，如果調整就會出現極大的財力浪費、人力浪費以及物力浪費。因此，為了確保和加強建筑物的結構穩定性，就一定要按照當前國家所規定的標準來選擇合適的加固方案，以便建筑物的使用功能可以符合標準要求。

2 建筑結構設計優化策略

2.1 建筑結構的整體優化方法

建筑結構優化主要是指房屋建筑的整體構造與部分構造的設計兩個部分，這兩個部分相互依賴相輔相成，互為條件缺一不可。而建筑部分的設計優化包含很多內容，諸如屋頂的設計優化、框架的設計優化、基礎的設計優化、維護優化等。這就需要工程技術人員運用所學專業認真思索、精心設計，在每一具體項目的設計過程中，不但要保證結構的安全性和適用性，還應當有效控制成本。智慧來源于實踐，要實現科學嚴謹的設計優化，設計人員有必要親自到擬建項目場地實地考察論證，掌握項目相關的第一手資料，做到心中有數，并在設計中充分考慮現場條件進行優化設計。比如，在建筑材料的選擇上，除滿足結構設計的安全性要求及建筑功能設計要求外，盡可能結合當地的生產條件及市場條件進行合理選取。再比如，當遇到較為復雜的地質條件時，設計人員也要結合當地的施工條件，采取合理可行的基礎設計方案。這樣，設計出來的建筑才能在施工中少發生問題，確保項目的順利實施，從各方面保證建設項目的安全性，并盡可能節約成本，滿足項目的投資要求。

2.2 結構模型的設計

第一、選擇變量。在進行建筑結構設計優化時，設計師作為工程專業人員，一定要把影響方案設計的數值作為設計變量，例如，工程項目目標控制參數與限制參數等等。如果把影響原因或改變幅度相對小的參數作為變量，那么，房屋建筑無論是在結構設計，還是計算以致編程等，難度將會大大降低。

第二、確定目標函數。就是說，在實施構造設計優化操作中，專業設計人員要計算出能夠滿足有關預定條件的截面幾何尺寸、鋼筋的截面積和相關的失效概率函數，有效降低項目成本。

第三、確定約束條件。就房屋構造的設計優化來說，結構的可靠度必須要保證。同時，確定實施優化設計也要有一定的約束條件，不能隨心所欲。所謂約束條件有不少內涵，比如裂縫寬度的約束、結構強度的約束、尺寸、應力、構件單元、結構系統、可靠性指標以及正常應用極限狀態下的彈性、彈塑性等等。此外，還要對目標約束條件和現實約束條件有效進行對比和分析，以合乎相關規定要求。

2.3 選擇最優程序進行統計分析

設計人員完成模擬設計工作后，再根據已知條件選取最佳計算方案，實現設計流程的最優化，使其有比較齊全的用途和完善的實踐作用，完善建筑設計功效與作用。要不斷總結經驗教訓，通過比較查找設計的薄弱環節，多層次多角度思考問題，既要注重經濟利益、施工材料成本，也要顧全大局，提升信譽樹立形象，更要改進技術發明創造，提升企業發展后勁。

2.4 基礎結構設計優化

房屋基礎結構的質量，直接關系房屋構造的整體作用與穩定。基礎結構好，整體作用一定強，穩定性一定更牢固。因此，合理運用建筑構造設計優化方法，對基礎構造設計至關重要。值得一提的是，要對地基地質、樁基種類、基礎構造等方面的設計實施有效控制，適時確定樁基項目方式，把握樁身長度與直徑，優化基礎構造方案，確定科學的基礎結構、施工技術與資金投入的平衡節點。在全面落實建筑結構設計優化的基礎上，全面提升房屋整體構造強度和結構的穩定性。

2.5 節能結構設計優化

節能結構設計的優化必須以綠色建筑思維理念為前提和基礎，設計人員要正確運用結構設計方法。具體方法包括：第一，要結合項目所處的地理位置、氣候條件和所在地城市規劃的具體情況，有的放矢地選擇建筑的朝向，這么做不僅可使住戶有好的采光照射，也為室內通風營造了溫暖溫馨的良好環境，可謂是一舉多得；第二，要統籌兼顧，不能只顧建筑的美觀而不考慮座向風向，只要設計科學合理，則會有效降低室內熱量損耗，實現高效節能的最佳效果；第三，要采取優化措施，完善房屋建筑的維護工作。對屋頂、門和窗戶等要提高設計標準。在面對陽光一側，窗面積可適當擴大，有條件的也可增加窗戶數量，這種設計方式會提升室內的采光度。在背光一側，可適當減少窗的面積或數量，避免熱量過多散失，以利節能。

3 總結

對建筑結構設計進行優化，一方面可以增強了建筑物的安全性能、實用性能，以及滿足功能多樣化的需求，另一方面可以提升建筑物本身的美觀效果。因此設計工作者在進行建筑設計時，要對相關的優化技術進行充分運用，挑選合適的結構設計方案，以實現減少工程預算的成本，提升經濟效益。在設計時，還需要更緊密的結合直覺對優化技術充分運用，提升建筑結構安全設計的抗震能力，以實現最大化的經濟效益。