淺議建筑結構設計優化方法在房屋結構設計中的應用

胡運沖

四川智亮電力工程設計有限責任公司 四川 成都 610000

引言

隨著經濟的發展，人們對生活水平質量的追求就在持續提高，因此對建筑物經濟性和美觀上的要求也越來越高，建筑美學在城市建設中的有著非常廣泛的應用。設計人員在進行建筑設計的過程中，為了保證便于施工，讓施工單位能夠盡快完成建設工作，通常會側重考慮建筑工程施工的便利性，而對建設的實用美學方面考慮不足。想要滿足人們對建筑方面不同的需求，就要在進行建筑設計的時候利用多種多樣的優化方式。積極的對建筑結構設計優化方法進行研究，就能對房屋的建設起到良好的幫助。由于建筑主體結構施工所用的投入占整個房屋建造很大的部分，因此，通過對建筑結構設計的優化，既可以保證建筑的安全性，還能降低施工成本，提高各方經濟效益。

1 建筑結構設計優化的內涵特征

建筑結構設計優化的作用主要體現在能夠讓施工變得更加便捷，同時還能把建筑的結構設計得更加符合大眾對美的認知，以期望在設計建筑結構時可以把房屋建設目的、房屋功能等全面覆蓋的結構設計方法，在這個基礎上在選用各種結構優化方案，讓建筑完成后既適用又美觀，既安全有保證質量，建筑過程還能方便快捷，節約成本[1]。因此建筑結構設計優化的方法，具有一定的共性：重視建筑美感，涉及多種學科，學科間交匯較多，建筑適用性強，方便實際施工管理，有很強的科學性。因為要求高且復雜，這就需要設計師在設計是有扎實的專業能力，豐富的想象力和關于創新的精神。

2 優化建筑結構設計方法的意義

在設計房屋結構的時候，充分利用結構優化設計不僅可以提高工程的質量，還能節約施工成本，避免不必要的浪費，從而提升企業經濟效益。我國所倡導的可持續發展理念，爭取市場效益最大化，這就要求建筑設計單位的設計內容不僅要滿足房屋建筑結構的長期使用價值，也要考慮在建設過程中實際投入的資產。運用建筑結構設計優化方法，相比于傳統設計方法更能降低施工成本，對施工方案進行合理優化，實現建筑企業對建筑材料使用效益的最大化。在施工工藝不斷進步，施工材料的強度逐漸提高的今天，我國建設高層建筑已經成了非常普遍的事了，怎么樣才能讓建筑在滿足時代需求的同時，也可以在施工過程中節約成本成了被人們廣泛關注的問題。

優化建筑結構的設計是最能充分發揮機械設備建材性能的手段，對人們關注的問題交出了一份極具參考性的答卷。如果可以對房屋結構設計進行優化，那么房屋中各個結構構件就能實現有機的整合，讓空間內的一切結構都能發揮出自己獨有的作用的同時，又讓空間內充滿了簡單整潔的美感，從而提高建筑的整體美感。而結構優化對建筑質量的提高也是顯而易見的，它能確保人們居住環境的安全性。以往的建筑設計中，會對安全性進行著重考慮，而在實際施工中，由于控制措施做得不到位，在成本上又想盡可能節約，就造成了設計單位在考慮設計時必須保守設計，工程世紀階段圖紙的清單量就很高，并且結構上不簡約，容易出現一些缺陷，難以滿足人們對現代房屋的心理需求[2]。在設計房屋時如果合理運用建筑結構設計優化方法，就能把建筑的經濟價值、審美價值、生態價值以及使用價值有機整合，既可以降低房屋的建設成本，節省施工材料，又能確保房屋安全性，保證結構可靠，還可以讓建筑具有極強的藝術性，從整體上提高建筑的綜合效益。

3 建筑結構運用結構優化技術的步驟

3.1 建立建筑結構優化設計模型

在建筑設計的時候，首先應該把能夠對建筑結構起到重要作用的主要參數，看出來它的變量所在，比如對柱體的約束控制參數和需要控制的目標參數等。對整體而言變動范圍比較小、影響力比較小或者局部有關要素能夠滿足設計需求的，就可以用預定參數先對其進行表示，這樣就可以有效地減少計算量和計算難度，讓設計數量降低，工作量減少，工作效率也就隨之提高了。在建筑設計中常常會建立目標函數，在優化建筑結構設計的過程中，就可以利用目標函數，對滿足預定條件的已失效函數，對應鋼筋的截面面積，這樣就可以減少建筑工程建設工程中投入的成本。對于進行過結構優化設計的房屋，一定要對房屋的結構進行檢查，確保房屋結構具有足夠的可靠性，對進行過優化設計階段有關約束條件進行確認。約束條件主要指的是結構強度約束、構建單元約束、裂縫寬度約束、應力約束以及尺寸約束等有關約束的條件。在進行房屋設計的過程中，一定要仔細的比對目標約束條件和實際約束條件之間的區別，保證每一個條件都能夠符合要求，向著最佳設計不斷地研究琢磨。

3.2 優化設計方案的程序設計

在設計過程中，根據可靠度所做的房屋結構優化設計會出現很多約束條件問題，還會出現很多的復雜變量，在后續的分析計算里，通常需要把有約束條件的優化問題進行合理轉化，讓它變成沒有約束優化的問題，然后再來解答。復合形法、拉氏乘子法、POWELL法都是優化過程中常用的計算方法[3]。將根據可靠度計算，進行對房屋結構設計模型優化和實際運用的計算方式，把這些繁雜的數據用功能更強，計算速度更快的運用程序進行計算，就可以將建筑優化設計方案全面的實施。

3.3 對結果進行綜合分析

計算結構設計得出的各種計算結果，都需要再次進行分析和比對，通過對比每種方法的優劣勢，從而選擇最好的設計方案。在對設計結果進行分析時，對問題的考慮一定要具有全面性，從每個角度對這些問題進行分析。結果分析是整個建筑結構設計優化中，相當重要的一部分，選取科學有效的設計方案可以讓建筑的安全性、實用性、美觀性都得到保障，并且可以進一步降低建筑主體施工高昂的成本。在進行優化建筑結構設計的過程中不僅要對有關建筑技術上的要求高度重視，更要全面考慮全面優化會對建筑工程帶來哪些重要的影響。在分析的過程中只有全面的思考科學配置，才能進一步實現預期目標。

4 建筑結構設計在房屋建設過程中的作用

4.1 最大限度提高建筑的可靠實用年限

在建筑使用的可靠年限內，每一個階段都會考慮做相應優化設計，房屋人員通過了解房屋每個階段的特征，按照實際計算情況對預期計算數據進行修改，確定優化的方式，從而可以達到科學的優化房屋使用年限的目的[4]。這不僅可以讓建筑工程建設質量提升，還能提高建筑施工企業的經濟效益，讓房屋使用人的經濟也可以達到最大限度的利用。

4.2 對建筑的局部性優化和整體性優化

房屋建設在設計方面具有相當強的專業性，相應的呈現出復雜性和層次性特征。站在層次性角度來說，它含有建筑結構有關體系、整體設計體系和安裝體系，每個獨立的專業體系下又會有很多的附屬體系。設計人員在設計房屋的時候，就要相應的對每一個下屬體系進行優化，將橫向關聯性突破。例如在框架剪力墻體系的建筑的建設過程中，首先進行施工的是框架剪力墻結構的主體，即剪力墻，樓板，樓梯等建筑框架，隨后進行空間的分隔，砌筑工程開始施工。按照建筑設計規范，砌體墻拐角處，需要設置構造柱，構造柱為混凝土現澆結構。在實際施工中會遇到這種情況，設計人員為了節約施工成本，將剪力墻受力作用發揮到極致，使得剪力墻長度被足夠的壓縮，而恰逢在墻拐角處需要設置構造柱，這時候就不綜合考慮情況，將剪力墻和構造柱之間隔開，間隔距離非常近。這在實際施工中，對施工方造成了很大的困擾，一方面構造柱還是要用混凝土現澆，和主體所用混凝土價格相差不大，并沒有節約成本，另一方面造成是施工難度的增加，讓砌筑過程中，不得不再次花費人工支模，做出的構造柱和主體連續性降低，澆筑質量也難以保證。這就是傳統設計過程中下屬體系沒有進行橫向溝通的典型案例。而在建筑結構設計優化方法中，完全可以將剪力墻和構造柱合并形成一個整體，并在建筑拐角處有門垛的地方也一并帶出，這樣既可以加強建筑的整體性，減少后期的工作量，還能讓建筑的質量更高，美感更強。站在復雜性的角度看，房屋建筑復雜，需要對建筑施工材料進行合理化選擇，對一些建筑物的零星部件也需要考慮在內。對每個建筑物來說，都應該從整體上進行優化，只有這樣才算實現了真正的結構優化。

4.3 對建筑的上部結構進行優化

對房屋構件對應的模型進行構建，再將系統逐步優化，就可以對房屋的上部結構進行設計。剪力墻的布置應該科學合理，在設置的時候盡量保持剪力墻在樓層中的布置位置都是均勻的，這樣才能保證樓層平面的剛度中心點和樓層整體的結構中心重合，讓整個樓層的受力自上而下傳遞的過程中是連續均勻的[5]。這可以減少風荷載甚至地震給建筑帶來的不利影響。在設計過程中，剪力墻應該盡量多在大開間的位置進行設置，在節約成本和質量保證安全的前提下盡量把剪力墻長度設置長一些，以此減少剪力墻的數量，讓建筑具有更強的一體性。

4.4 優化和排水系統優化、電器優化相協調

排水系統放置機械的房間，通常機械設備重量較大，荷載較大且為恒荷載。對于這些房間，一定要盡量設計在建筑的底層，確保管道預留的深度和尺寸可以滿足設計規范標準要求，對樓板需要打孔的位置提前進行規劃，加密洞口附近鋼筋，一定要避免設計時忘記留洞口，在樓板上進行二次開洞，這會造成樓板整體性被破壞，且結構強度沒法進行保證，洞口區域鋼筋無法加密。除此之外，要注意水平方向的管線是否有貫穿梁或者柱的情況，盡量避免這種情況的出現。在傳統設計里，房屋內部的電氣管線基本上都是用導線的形式，直接安裝在樓板墻體的外面，這樣的方法會增加很多預埋件的制作，增大施工難度。因此如果需要讓管線穿過墻體，就需要在梁上，提前預留好洞口，注意要保證墻和梁的寬度是一致的。

5 結束語

綜上所述，建筑結構設計的優化對整個行業的發展都是具有非常重要的意義的，如果能合理地采用建筑結構設計的優化方法，就會讓建筑的安全性和可靠性得到保障的同時，美化建筑外形，節約投資成本。建筑結構設計的優化是一個綜合性強而且難度很高的系統性問題，設計人員一定要在設計過程中不斷嘗試，深入研究，勇于探索，提高自身的專業素養，不斷學習，為人們提供既滿足安全要求，又舒適美觀的建筑。