建筑結構設計中的優化措施研究

張雪鵬

（山西省建筑設計研究院有限公司，山西太原 030013）

0 引言

隨著社會經濟的迅速發展，如今，人們的經濟條件、生活質量與生活水平得到明顯的提高，從而對生活環境也提出更高的要求。基于時代進步及社會發展要求，如今房屋建筑結構設計中，往往會在確保質量、安全的基礎上，開展結構優化設計，以實現降低成本、節能減排及提高建筑物使用功能的目標[1-9]。

1 房屋建筑結構設計中的結構設計優化

1.1 建筑結構模型的優化

在對建筑進行設計時，應優化結構設計，首先應對結構模型的設計進行優化處理。結構模型優化，可從變量、計算函數和邊界約束條件等方面進行優化。在建立結構模型時，應首先從模型變量開始優化處理。結合建筑結構的實際情況，分析模型變量對結構設計的影響因素，并對這些因素進行分析，最終在結構模型中逐一體現。模型變量會對結構設計造成較大影響，因此在進行結構設計時，結構設計人員應對各種單一或復合因素進行綜合考衡，確保結構設計滿足國家現行相關規范和實際需求。除此之外，在進行結構設計時，將各種設計元素融入結構優化過程中，可有效降低結構設計人員的工作量，一定程度上提高設計人員的工作效率。

1.2 建筑主體結構設計的優化

在進行結構設計時，應首先從安全角度出發，對建筑結構的質量進行保證，確保建筑結構優化后處于安全、穩定的狀態。基于上述結構設計優化理念，結構優化的原則是減少建筑用鋼量、減少承重結構材料用量，但結構的整體穩定性和承載能力不受影響。建筑物的主體結構是主要承重結構，通過提高主體結構的承載能力，實現建筑物抵抗外部環境的變化，如在地震力和風荷載等水平荷載作用下，建筑物不會因此而發生傾斜或倒塌等。如對剪力墻結構進行結構設計優化時，應主要對剪力墻體構件進行優化設計，確保剪力墻構件的質量均勻，分布規則，重心和形心的基本重合，外觀的規則，從而實現剪力墻結構的受力均勻和抵抗荷載變形的能力。在設計時，可通過縮短剪力墻構件的長度、相對增加剪力墻構件數量等手段，減少用鋼量，實現剪力墻結構的承載能力和穩定性。剪力墻構件中往往因構造和承載的要求，需設置水平受力鋼筋和縱向分布鋼筋，確保剪力墻構件承受足夠的水平荷載和豎向荷載。因此在對剪力墻構件進行結構設計優化時，應在滿足正常承載的前提下，減少鋼筋用量，實現節約鋼材的目的。

1.3 房屋建筑細節的優化

隨著市場經濟的迅速發展，建筑行業也在蓬勃發展，但其市場競爭也日趨白熱化，現階段諸多企業在細節方面入手，來提高建筑物的質量及美觀性，從而吸引消費者的青睞。基于此，房屋建筑結構設計中，開展結構設計優化的時候，也要注意對細節進行優化，根據客戶要求，對房屋建筑的部分細節問題實施優化、精細化處理。例如，在空調板設計中，應根據客戶使用需求來開展設計，確保設計的空調板可以為空調安裝、維修等提供便利條件，并要保障其可以滿足建筑安全性能的要求。再如，在陽臺設計中，也要考慮客戶需求來開展設計，若是居住人員較多、成分復雜，則要考慮幼童安全，將陽臺高度設計為1.2m。房屋建筑結構設計中，還有很多小細節，設計師應對這些細節問題進行充分考慮，為客戶提供更多的便利。房屋建筑結構優化設計中，設計師也要充分考慮當地實際情況來開展設計，適當采取一些節能設計措施，如考慮當地氣候、天氣條件，對臥室的光照條件進行優化設計，以減少照明時間，降低電能消耗。

1.4 排水管道系統的優化

房屋建筑結構設計中，對結構設計優化進行應用的時候，還可以對排水管道系統進行優化設計。排水系統設計是房屋建筑結構設計中的重要組成部分，其復雜程度較高，應充分考慮實際情況來開展設計。特別是穿墻管道設計中，應以便于施工為原則，提前預留管道碰撞檢測的空間，并做好預埋空洞的標記，以便于施工方在施工的時候可以提前預埋孔洞，避免返工問題的出現。對于需穿過承重墻的排水管道，應做好對周圍的加固處理，保證承重墻的穩定性。排水管道優化設計中，應考慮施工方面的問題，避免管道繞柱問題的出現。隨著科技的進步，BIM 技術在建筑設計中得到越來越多的應用。排水管道優化設計中，也可以應用BIM 技術，來開展碰撞檢測，確保排水管道、建筑物的協調性，提高排水管道優化設計質量。

2 房屋建筑結構設計優化的關鍵點

2.1 設計理念優化

在對建筑結構進行優化設計時，應首先對設計理念進行優化。設計理念貫穿設計人員的所有設計作品中，設計理念的優化是所有優化設計的前提和關鍵點之一。結構優化設計后，不應對建筑的使用功能有影響，應與原建筑設計理念和功能保持一致。如結構設計優化后，會縮短剪力墻構件的長度、增加剪力墻構件的數量，可能會對結構的可靠性產生一定的影響，因此在進行結構優化設計前，應對優化后結構的可靠性進行分析，確保結構可靠性不受影響。為確保結構優化設計時的工作效率得到有效提高，在進行結構優化設計時，可使用拉氏乘子法對優化的因素進行統計和相應轉化，將對優化設計的干擾性約束因素轉化為非約束因素。除此之外，在進行結構優化設計時，還需對優化后的結構模型進行重新驗算，確保結構滿足正常承載能力和抗震承載能力的要求。若優化后的模型驗算結果不滿足國家現行相關規范的要求，可通過逐步調整設計參數和構件的尺寸及位置實現結構或構件滿足承載力要求。

2.2 選擇最優方法

結構優化設計前，應根據結構的特點，提出多項優化設計方案，最終根據實際情況和建設方要求選擇最優設計方案。在滿足承載力要求的前提下，實現施工便捷，建筑的美觀、使用和安全不受影響。在進行結構優化設計時，設計人員會根據影響結構設計的多種因素進行選擇和調整，結合大量的結構設計計算，求得最終最優的優化設計方案。通過大量的工程實踐經驗和科學合理的設計理念，使優化后的結構各項性能均滿足要求。在結構優化設計時，設計人員首先結合原有建筑設計理念，選用最佳計算參數，去除無效或其他干擾因素，快捷、高效地取得計算結果，完成優化設計的前期工作，提高設計效率，減少設計工期。

2.3 結構模型設計

房屋建筑結構設計中，應用結構設計優化的時候，應高度重視建筑結構模型設計方面的問題進。房屋建筑結構設計中，在對建筑結構模型進行優化的時候，可以從確定約束條件、計算函數、選擇變量三個方面開展：①確定約束條件。設計中，應充分考慮工程建造目的、工程預算、施工要求等因素，對施工條件進行衡量與判斷，明確需要遵守的條件，確保房屋建筑結構設計符合工程實際需求。一般情況下，需要對結構的剛性、結構的穩定性、房屋的尺寸與比例等條件進行考慮；②計算函數的合理選擇。房屋建筑結構優化設計的過程中，通常要對房屋橫截面、鋼筋的尺寸等數據進行設定，并將這些數據帶入到選定函數中去，應用這些函數進行運算、分析。對計算函數進行合理選擇，從而獲得準確的數據，是減少成本浪費、降低工程成本、減少工程量的重要前提；③變量的選擇。對于房屋建筑來說，在結構設計過程中，往往會涉及大量數據，設計師通過收集、利用這些數據，來供定稿參考，一些數據可能是定稿的關鍵。房屋建筑工程項目的所有相關數據，均有可能給設計造成影響，選擇合適的數據，可以幫助設計師減少負擔，提高工作效率。基于這樣的原因，應對數據變量進行合理選擇，以降低設計師的工作難度，提高房屋建筑結構設計方案的科學性、合理性。

3 結語

在對建筑結構進行優化設計時，設計人員應首先從建筑的模型開始，隨后對結構的主體、建筑和水暖電等專業進行對接，在不改變原建筑設計理念的前提下，以最高效、最經濟和安全的結構設計理念，提高建筑結構的整體設計質量。除此之外，在進行結構設計時，還應結合當下較為流行的BIM 技術，實現結構施工圖的可視化和模擬化，避免各專業間的無形碰撞，提高結構設計水平。最終將建筑結構設計為堅固、耐久、經濟的商品，同時也可為住戶或用戶提供舒適的居住或生活的環境。