浅析建筑工程中建筑结构优化设计穆福举

浅析建筑工程中建筑结构优化设计穆福举

穆福举

（南京长江都市建筑设计股份有限公司，江苏南京210000）

摘要：结构设计对建筑设计具有经济意义及实践价值。本文阐述了建筑结构设计的原则及方法，并结合实例分析了建筑结构优化设计的应用。以期能够在确保建筑结构安全的基础上进行局部调整，使整个建筑结构更加可靠与稳定。

关键词：建筑结构；优化设计；原则；方法应用

前言

近年来，建筑行业的快速发展要求建筑结构设计不断进行优化和完善，进而实现人们对建筑物更高的需求。因此，在进行建筑结构设计时，不仅要注意建筑结构计算的准确度，还要结合工程的实际情况，科学合理地选择结构方案，并以此为基础进行优化设计。

1建筑结构优化设计的原则

1.1使不规则建筑平面布置产生规则结构效应

在进行建筑结构优化设计时，往往需要依据建筑物的功能要求，对建筑物的墙肢长短和墙柱布局进行合理地调整和规划，进而实现建筑结构的安全性和美观性要求。相对规则以及平面布置性的建筑物结构受力比较简单，因此建筑成本造价较低。然而，建筑结构由于功能性的多样化需求，对建筑物的体型和平面布置的设计施工要求也不尽相同。因此，可以在实现建筑结构功能性要求的基础上，通过优化调整建筑结构的墙体、墙肢的长短以及柱子的布局，使不规则的建筑物体型以及平面布置去向规则化，并产生规则结构的效应，实现建筑目标。

1.2提高建筑居住舒适度

建筑结构优化设计的基本出发点和根本目的为满足人们的舒适度需求。因此，为了提高建筑的舒适度，必须对建筑的整体进行优化设计，其中主要包括建筑结构、装饰装修、电气安装等几个重要组成部分。

1.3保证建筑结构的安全性

目前建筑结构的安全性主要通过提高建筑物的抗震程度来实现。所以，在进行建筑结构优化设计时需要保证每个建筑结构子系统的部件都具有一定的可靠的承载能力，最终实现建筑结构的经济性、耐久性以及安全性。一般主要包括建筑结构体系的优化选择传力途径的科学性、构件布置的合理性、构件和材料选用的正确性等内容。

1.4针对不同构件采用不同安全系数的结构优化设计

由于建筑各子系统的构件具有不同的承载能力，因此，为了保证建筑结构的整体安全性，需要根据各部位的承载能力来设计多样化的构件安全系数，实现建筑结构设计的整体优化。通过对大量建筑结构试验的分析和研究可以发现，由于现浇钢筋混凝土楼板的约束作用，可以在很大程度上提高楼盖梁的承载能力，最高时可提高约1.5倍。然而现行国内结构计算软件却不能准确反映现浇楼板的这种约束作用，所以按力学计算结果进行结构设计的话，对现浇楼盖梁而言，它的安全系数就偏高了许多。

2建筑结构设计优化方法

建筑结构设计优化方法依据不同的标准，其分类各不相同，若依据设计变量的性质进行分类，则可将其划分成连续变量与离散变量这两种结构设计优化方法；如依据难易程度进行分类，则可将其划分成截面优化、分布优化、种类优化、外形优化和拓扑优化，其逻辑关系如图1所示。在特定的建筑结构中，随着建筑结构设计优化档次的提高，相应的设计变量的维数逐渐增高，难度系数也随之加大。

2.1截面优化方法

应用截面优化方法时，通过有限元计算设计变量的结构位移和所受应力，直接借助灵敏度分析和科学的数学规划方法完成优化。其中设计变量和刚度矩阵呈现简单的线性关系，优化计算方法和灵敏度分析是应用截面优化方法的关键。优化设计连续变量的方法较多，例如规则法、仿生学计算法等；优化设计离散变量的方法主要有精准计算法、启示性计算法和相似计算方法。

2.2外形优化方法

外形优化方法和截面优化法相比，研究时间较短。外形优化方法是指在结构拓扑结构一定的情况下，通过对结构框架和内部形状的调整，以此来改进建筑物结构。以对象为标准划分外形优化方法主要分为连续体结构和杆系结构。其中连续体结构外形优化的主要包含解析和数值这两种方法;杆系结构外形优化首先选取节点坐标充当设计变量，并考虑截面优化，主要利用综合优化和分布优化这两种方法求解。

2.3拓扑优化方法

寻找建筑结构刚度的最理想的分布方式或者传力模式是拓扑优化方法的主要内容，便于减小建筑结构重量或者优化结构性能。拓扑优化方法能为建筑设计师在结构设计的起始阶段提供概念性设计，通过逻辑变量或者整数变量的形式来表现建筑结构的实际分布形式，进而使用最理想的布局设计方案，因此，与截面优化和外形优化这两种方法相比，它能创造的经济效益更大，且更易被工程设计人员接受。

3建筑结构设计优化方法的实际应用

3.1建筑结构设计优化要点

3.1.1控制楼层高度

在建筑工程的设计过程中，如果在满足建筑立面、使用净高的基础上，合理地缩减楼层高度，则既可以缩减构件长度和体积，节省混凝土资源，还能降低土建成本。为实现这一目的，可以有效控制梁高、墙高和各层综合布线。

3.1.2控制高度和宽度的比值

通常建筑物的高度和宽度的比值和抗倾斜力矩呈正相关，在设计的过程中考虑的剪切力墙等抗侧力构建也逐渐增加，这在一定程度上也增加了成本投入。如果在设计过程中能够有效地控制该比值，则也会节省工程成本，因此，高度和宽度比值的控制也是优化设计中必不可少的内容。

3.1.3控制并优化梁的分布和配筋

在建筑主体结构中，其楼盖造价在主体总工程造价的比重达到10%左右，重量却达到21%左右。楼盖横梁的分布直关乎着楼盖板的结构和配筋，如果合理分布，则能节约较多的建设成本。现实生活中较为常见的主体结构柱网，其跨度通常在9m，平行梁或者十字梁是标准层首选，这主要是因为这种设计方式的受力比较小，在此种设计模式中，如果梁的受力情况近似相同，则其工程造价和呈“井”字的梁相比，可节省10%，然而在地下室中，最好还是选择井字梁，以此来保证受力，进而适应计算中的受力要求，达到净高标准。在具体的设计过程中可以优化节约位于填充墙下方的小梁，这主要是因为楼板的刚度基本上就能支撑填充墙。梁的重量逐渐减轻，自然工程造价也随之缩减，空间变得更大。在设计跨度较大的架框架梁时，尽可能低选择半径较小的配筋，以此来节省配筋，避免不必要的浪费，且受力也更加均匀，便于调整。

3.2工程实例

某办公大楼采用的是高度为七层构造的钢筋混凝土构筑结构体系，总建筑面积为6508m2，由于施工场地的制约，建筑平面宽度为15.8m，长度为59.2m。将房间开间设计成5.0m，进深度6.8m，过道宽度2.5m，各楼层高度为3.8m。采用现浇式安装框架的梁、板。

3.2.1建筑结构优化模型

首先，明确设计变量，通常设计变量为对建筑工程设计影响程度最大的参数，本工程可以选以结构造价为中心的目标控制参数，也可以选择以结构稳当度为中心的约束控制参数。对于对建筑工程设计影响程度较小的因素选作预定参数；其次，明确优化设计目标函数，并依次为依据进行优化设计计算;最后，明确模型约束条件。

3.2.2分布结构的设计优化

（1）基础拉梁设计优化

该工程楼层较少且高度较低，因此选用短柱形式作为建筑基础。控制基础拉梁的截面高度在短柱中心距的0.05左右，保证基础梁配筋能达到建筑最小配筋率标准。

（2）基础设计负载设计优化

由于本建筑工程层高为七层，层数较少，若在具体的施工过程中地基的重点受力部位不是软性粘质土层，则可不必对其进行基础防震能力测验。另外，因本工程为钢筋混凝土构筑体系，在优化设计的过程中，一定要考虑风力负载问题。

（3）计算结构分析

建立建筑结构的优化模型后，对其进行计算，能够及时发现建筑结构设计中的问题，并制定针对性的解决方案，进而进一步优化建筑结构，最终达到建筑结构安全、经济适用、美观的预期目标。

4结语

建筑结构设计优化是一项复杂、长期的工程，科学的结构设计优化，不仅能够降低工程预算，还能保证建筑物安全、经济、适用、美观。因此，工程建设单位应在保证工程质量和功能的基础上，结合建筑工程的实际情况，合理应用结构设计方法，不断提升工程设计师和结构师的专业水平，积极运用新型技术，不断探索，进而优化建筑结构，促进建筑的安全、可持续发展。

参考文献：

[1]何冬霞．建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的实际应用[J]．中华民居，2013（30）

[2]刘麟．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，2014（12）

[3]彭翔．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，2014（9）