土木工程建筑結(jié)構設計的優(yōu)化探討

武玉新

（天津市市政工程設計研究院城市設計分院，天津 300381）

1 建筑結(jié)構優(yōu)化設計的重要作用

對土木建筑結(jié)構的優(yōu)化，不僅可以提高建筑的質(zhì)量，還可以改善人們的生活質(zhì)量。具體而言，主要具有以下4個方面的作用：1）通過對建筑結(jié)構進行優(yōu)化設計，可以進一步提高建筑使用的安全性；2）在合理完成建筑結(jié)構設計同時，可以全面提高建筑工程的施工效率，實現(xiàn)節(jié)約資源的目的，有效地降低施工成本；3）在建筑結(jié)構的優(yōu)化設計中，可以實現(xiàn)綠色節(jié)能設計，使建筑的建設和使用滿足環(huán)境保護的要求，與國家所提出的可持續(xù)發(fā)展策略相呼應，以此推動我國建筑行業(yè)朝向更加環(huán)保、綠色、節(jié)能以及低消耗的方向發(fā)展；4）在建筑結(jié)構進行優(yōu)化設計后，可以對居民的安全做出保障，因為土木結(jié)構的優(yōu)化設計更加重視建筑的安全性，而且也會重點考慮居民的實際需求，進而使設計方案更加完美。

2 建筑結(jié)構設計中結(jié)構優(yōu)化的關鍵點

2.1 完善設計理念

建筑設計師在對建筑進行結(jié)構優(yōu)化設計時，應進一步完善設計理念。在對結(jié)構進行優(yōu)化時，需充分考慮改造過程中會對建筑造成的內(nèi)部或外部的影響，并應延續(xù)原來的設計理念進行優(yōu)化，所以是對原有設計的補充設計，完善原有的設計理念。在對建筑物的結(jié)構進行優(yōu)化的過程中，需要重點考慮建筑結(jié)構的可靠性，為提高建筑環(huán)境穩(wěn)定性導致優(yōu)化設計的工作大幅增加。為提高優(yōu)化設計工作的效率，可依靠拉氏乘子等方式，重新轉(zhuǎn)化部分數(shù)據(jù)，將實際設計時會造成影響的約束性因素轉(zhuǎn)化為非約束性因素。

2.2 確定最優(yōu)方法

建筑設計師對建筑進行結(jié)構優(yōu)化設計時，最重要的是找到調(diào)整建筑設計的最優(yōu)法，提高建筑美觀性和安全性的關鍵就是找到最優(yōu)的設計方案。建筑師在對建筑物進行改造時，會涉及很多數(shù)據(jù)和設計條件，需要對眾多數(shù)據(jù)進行計算找到最優(yōu)解，通過合理的設計提升建筑物的各項性能。設計人員應根據(jù)設計理念選擇最優(yōu)的計算方式，將部分的附加條件有效去除，更加快速、便捷地獲得計算結(jié)果，完成數(shù)據(jù)的收集和計算工作，降低工作強度。

2.3 設計結(jié)構模型

1）選擇變量。每一個建筑物進行設計時都會涉及大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)都會被設計人員收集、利用，作為定稿的參考數(shù)據(jù)，且部分數(shù)據(jù)可能成為設計人員設計定稿的關鍵。建筑項目的相關數(shù)據(jù)都可能影響設計人員的設計，很多數(shù)據(jù)都可以幫助設計人員減輕設計負擔，加快工作進程，所以應合理選擇數(shù)據(jù)變量，減輕設計人員的工作難度，設計出更好的設計方案。2）合理選擇函數(shù)。通常在進行結(jié)構優(yōu)化設計時，應先對鋼筋尺寸和建筑的橫截面尺寸等數(shù)據(jù)進行合理設定，然后將這些數(shù)據(jù)成功帶入選定函數(shù)中，并通過這些函數(shù)進行分析。3）衡量施工條件。設計人員應根據(jù)施工方的實際施工情況及整個工程的預算和建造目的等因素合理判斷，從而分析出需要遵守的條件，這樣就可以保證該項目的設計和施工完全符合建造需求。

3 建筑結(jié)構設計的優(yōu)化

3.1 優(yōu)化整體結(jié)構體系

對于現(xiàn)代建筑，其不僅功能性較強，而且造型也非常復雜。所以，優(yōu)化建筑整體結(jié)構體系時，要在滿足建筑的功能性要求、規(guī)范要求以及造型要求的基礎上，通過設計合理的結(jié)構布局，有效降低工程造價。

3.2 優(yōu)化建筑結(jié)構設計模型

對建筑結(jié)構進行優(yōu)化設計時，應先建立結(jié)構模型，而后圍繞該模型，完成后續(xù)工作。對于一些結(jié)構比較復雜的建筑，模型優(yōu)化非常重要，因為通過模型優(yōu)化能夠有效地將一些復雜的造型進行簡化，并利用結(jié)構分析軟件對結(jié)構進行工況分析，避免在方案實施時發(fā)現(xiàn)問題。

3.3 變量的合理選擇與目標函數(shù)的確定

通常情況下，選擇設計變量時，會選擇對設計產(chǎn)生影響比較大的參數(shù)，將影響較小的參數(shù)作為預定參數(shù)，以減少計算編程的工作量。另外，確定目標函數(shù)時，應利用函數(shù)尋找能夠滿足既定條件的最優(yōu)解，同時要確定約束條件。優(yōu)化設計結(jié)構可靠度的約束條件主要包括裂縫寬度約束、應力約束、尺寸約束以及結(jié)構強度約束等，在實際設計過程中，必須確保各種約束條件都能夠滿足行業(yè)規(guī)范。

3.4 優(yōu)化樁基礎設計

樁基礎是整個建筑的根本。樁基礎的作用是承載整個建筑，并將自身承受的荷載傳遞到周圍的土層中。通常情況下，建筑結(jié)構的樁基礎有預制樁和灌注樁2種形式。對樁基礎的優(yōu)化設計，主要指的是在確保施工質(zhì)量不受到影響的前提條件下，科學、合理地降低工程成本。

3.5 優(yōu)化地下室結(jié)構

進行地下室結(jié)構優(yōu)化設計時，應從2個方面進行：1）應在滿足建筑使用要求的基礎上，合理降低地下室的層高，不僅可以有效降低建筑施工中鋼筋、混凝土等材料的使用量，還可以減少施工過程中土方的挖掘量，進而減少維護、維修等費用的支出；2）因為地下室結(jié)構受到的地下水的浮力以及土壓力較大，需要使用大量的鋼筋，所以，設計工作人員在進行優(yōu)化設計時，需要對結(jié)構構件的實際受力狀態(tài)進行全面、細致的分析。

3.6 優(yōu)化室內(nèi)建筑結(jié)構

建筑結(jié)構設計優(yōu)化時，必須保證建筑本身以及室內(nèi)結(jié)構的合理性和美觀性。在這個過程中，務必確保剪力墻、結(jié)構柱與建筑平面可以保持一致性，在確保結(jié)構安全的基礎上，盡可能地減小剪力墻與結(jié)構柱的截面尺寸。布置結(jié)構梁時，應盡量與建筑墻體保持同一寬度。

4 結(jié)語

總而言之，在經(jīng)濟社會快速發(fā)展的今天，人們的生活質(zhì)量在不斷提高，同時也對建筑提出了更高的要求。在建筑結(jié)構設計優(yōu)化的過程中，為了滿足人們對建筑的要求，提高建筑質(zhì)量，應綜合性的考慮多方面內(nèi)容。