建筑结构设计优化方法

【摘 要】建筑结构设计优化是一个复杂而系统的过程,通常被归入综合决策的范畴.在实际优化环节,既要考虑实用性和安全性,又要考虑经济性,还应考虑整体效果,总之,要平衡各方面的关系.本文对建筑结构空间利用率的优化进行了探讨,对建筑结构优化的理念进行了阐释和延伸,希望能对类似工程建设提供一些借鉴和帮助.

【关 键 词】建筑结构；结构设计；优化方法；

对于建筑整体结构设计优化而言,建筑结构的概念设计既是重要基础,又是一个主要方向.运用概念设计方法,能够有效提高建筑工程的安全性及稳定性,将各种外力所带来的破坏效果降至最低.建筑在实际使用环节,难免会遇到不同类型的不稳定因素.建筑概念设计将会致力于这些不稳定因素的解决,以提高建筑的实用性.对建筑结构的诸多可能破坏因素进行研究,发现地震这一破坏因素最难以控制,因为地震发生时,将会给建筑施加一个极大的作用力,同时地震又是难以准确预测的.所以,在优化建筑结构设计的实际环节,应该站在整体的角度对建筑结构设计进行优化,采取多项措施以达到提高建筑结构抗震能力的目的.另外,设计方案中如果有不利于建筑结构抗震的因素,则应对其进行适当调整,无法调整时,则应放弃.在建筑结构设计优化的帮助下,建筑在整体刚度方面应该达到均匀、对称的效果,如此一来,便有效保证了建筑结构在地震作用下的安全性.与此同时,是实际设计环节,还应综合其他优化方法的应用,以提高建筑的抗震能力.如延性设计,该种设计方法能够很好地保护地震中的建筑免受脆性破坏的危害；又如多道设防的设计方法,其设计思路是,当发生剧烈地震时,“牺牲”部分次要结构去吸收地震能量,以降低地震对建筑主体结构的破坏效果.在进行建筑整体结构设计的过程中,应注意上述优化方法的有效运用.

一、建筑结构设计优化的意义

1.结构优化设计降低总造价

进行结构优化设计中,多层住宅和高层住宅相比较,层数越多,总建筑面积增大,单位建筑面积占用的土地面积就越小,节约了用地成本,但建筑层数的增多,建筑总高度也会加大,楼与楼之间的间距也要加大,这时占用的土地节约量就不与建筑层数增加比例相同了.另如屋盖部分,一栋楼只有一个屋盖,并不会因为层数的增加而有所改变,它的成本下降会比较明显.对于基础部分而言,虽然也是各层共用的,但是层数增加,传给基础的荷载将会增大,我们需要增大基础,这样单位面积的造价有所降低,但是却没有屋盖的效果那样明显.

2.进行结构设计优化提高建筑结构经济性

建筑的层高增加,由于墙体面积和柱体积增加,结构的自重会增加,基础和柱的承载力相应增加,水卫和电气的管线会加长；相反降低层高,可节省,有利用抗震,同时建筑的总高度减小,两建筑之间的日照距离就会减小,间接的节约了用地.建筑面积相同,建筑使用不同的平面形状时,它的外墙周长也就会不同,这样当选择圆形或是越接近于方形时,外墙周长系数就越小,基础、外墙砌体、内外表面装修都随之减少,同时其受力性能也得到提高,增强了建筑的经济性能.与传统的结构设计相比,采用结构设计优化方法可以使建筑工程造价降低6%-34%.优化方法的技术性实现,可以最合理的利用材料性能,使建筑结构内部各单元得到最好的协调,不仅可以实现建筑美观、实用,而且在造价方面也有较大的节省,达到了建筑工程设计对适用、安全、经济、美观和便于施工的一般要求.通过使用优化设计手段,达到这5个方面的最佳结合,符合现今建筑商对于建筑结构的效益的需求,也符合市场可持续发展的需求.

二、结构设计优化方法的概述

完美的建筑是在满足人们使用功能及视觉感受的前提下,充分满足使用者和社会所期望的各种要求.依据设计的要求,把力学概念与结构优化设计进行有机结合,让参与计算的量部分可以以变量部分出现,进而形成结构设计优化方案域,运用数学手段,在域中找到可以满足要求的结构优化最佳设计方案.由此可见,结构优化设计不仅可以提高整体设计水量及设计质量,还可缩短设计周期,从而降低整体工程造价,提高经济及社会效益.房屋工程分部结构优化设计包括：基础结构方案的优化设计、屋盖系统方案的优化设计、围护结构方案的优化设计和结构细部设计的优化设计.对以上几个方面的优化设计还包括选型、布置、受力分析、造价分析等内容,在实施过程中,不仅要按照一切从实际出发的原则,更应该结合具体工程的实际情况,围绕房屋建筑的综合经济效益的目标进行结构优化设计.在满足设计要求后,在进行结构设计时应该尽量缩小刚度、质量中心的差异使平面布置规则,水平荷载就不会使建筑物有太大的扭转作用.为降低应力集中,竖直方向上应避开使用转换层.

三、结构设计优化技术

结构方案的建立过程即工程结构设计.伴随急速更新发展的计算机硬、软件产业,凭借计算机、力学、数学一系列方法,将结构设计做到最优化技术推广.结构优化设计及传统结构设计其设计原则和过程是相同的,不同之处在于传统设计缺少安全、经济性作为衡量准则.最优设计则是在安全、经济准则基础之上,利用计算机作为辅助技术,非常便利地实现了分析计算、设计、出效果图等整套程序的自动化,大大提升了设计整体效果及质量.为了达到降低工程造价之目地,在不更改使用性能的基础之上,就要对结构进行最优化设计.由此可见结构设计优化技术的应用已经是较为宽广的课题之一.它不仅应用于项目的前期、整体、抗震设计,在旧房改造期间的各个环境均有广泛应用.结构设计优化技术在应用实践中应注意的问题如下：

建筑方案设计前期如有一个优秀的、合理的设计方案,并参与结构设计优化,就会争取到非常优秀的开端.但目前在前期设计方案中结构设计优化参与其中的并不多,如果能对建筑类别有所针对,并进行合理选择结构设计优化方案,将降低建筑的总投资成本,因此在建筑方案设计初期应注意建筑方案的结构优化设计,考虑结构的合理及可行性.

概念设计主要作用于无具体数值量化现象,比如无确定性的地震设防烈度,现实难免与计算式存在区别,那么设计时应采取概念设计方法,使数值成为辅助及参考根瞎.为达到最佳优化设计效果,设计人员应该灵活运用结构设计优化方案.与宏观把握相对应的,设计的过程同时要注意对于细部的结构设计优化,比如现浇板中的异形板拐角方向容易出现的裂缝,可归结为矩形板.钢筋选择时应注意：I级钢和冷轧带肋钢市场差不多,但是他们的极限抗拉力相差却相当大,所以在塑性满足要求的情况下,现浇板的受力钢筋就可选择冷轧带肋钢筋.在做里面设计的时候,外立面上的悬挑板及配筋,应在满足基本规范要求之上以达到安全、经济之目的.

结束语

随着人们生活水平不断提高,不仅对建筑实用性与安全性有所要求,而且对经济性与外观也有所要求.然而,在对建筑结构设计的时候,必须考虑到施工的方便性,以便快速完工.对于建筑结构设计进行必要的优化,不仅能获得房屋结构的经济性、安全性以及合理性,还能使建筑更加美观.

[3]于应平.建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的实际应用[J].城市建设理论研究.2012（18）