建筑结构设计中结构设计优化技术探讨

代新博

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摘要：结构设计优化是一个涵盖面非常广的系统性问题，为此我们需要加大对结构设计优化方法的探究力度。在建筑结构设计中，采取相应的技术措施，优化结构设计，提高设计水平，更好的指导施工是人们的不断追求。文章主要对结构设计优化在建筑结构设计中的应用进行了简要探析。

关键词：建筑；结构设计；优化技术

房屋建筑施工分部结构优化主要是指基础结构方案的优化设计、围护结构方案的优化及结构细部的设计优化。其次还包括对选型、布置、受力分析、造价分析等方面的优化。 相关的工作人员需要不断努力，提升自己的专业素质和综合水平，总结设计经验，以便设计出更好更安全的房屋建筑。

1建筑结构设计优化的理念 

在进行建筑结构设计时，我们不仅需要考虑其安全性、可靠性以及基本功能的健全性，还需要考虑建筑本身的美感与艺术感，这就是结构设计优化的理念体现。单纯从建筑角度来讲，结构设计优化主要分为房屋工程分部结构的优化设计和总体结构的优化设计两种。一所房屋的设计建造，要根据具体情况，综合考虑房屋建筑的人文要求、经济要求和周围环境要求等。合理充分利用资源，实现各种要素的和谐共存，是建筑房屋结构设计优化的基本理念。

2结构设计优化的原则

2.1一般来说，结构设计优化要遵循以下原则：

(1)要充分考虑居住者的健康安全，也就是在进行结构优化设计时，必须要把安全性和环保性放在第一位，要使建筑能够长久使用，使得居住者感觉健康安全。

(2)要符合居住者的需求，也就是说要确保建筑能够满足居住者日常生活所需的基础功能，使得居住者感觉方便舒适。

(3)还要考虑到开发商的经济利益，因此设计师们在进行结构优化设计时，要使建筑项目资源分配最优化，尽力节省资源和成本。

3建筑结构设计优化的方法

3.1优化结构设计模型

实现建筑结构设计优化，首先需要建立一个数学模型，重现房屋的各项指标和影响因素间的复杂关系。可以按照以下几个步骤建立模型：

（1）对变量的选择。一般情况下，建筑师决定的最终建筑设计方案起到重要的作用，这些重要的建筑数值均可以作为变量供建筑设计人员进行选择。例如:工程参数的参考，包括对房屋价格的参考、对于其损失的参考等等。设计人员若能够将变化幅度较小或考虑因素较少的参数作为设计的参考，建筑结构的设计和编程难度将会大大降低，设计人员也能够更快的找到最符合设计目标的数据。（2）确定目标函数。出于建造成本的考虑，需要建立一组函数，通过这组函数可以准确描述预定条件中截面几何尺寸、钢筋的截面积和相应的失效概率之间的关系。（3）确定约束条件。通常可以大致的分为几何约束以及性态约束。通常几何约束指的是在几何尺寸等方面加以限制，几何尺寸不会发生太大的变化。而性态约束通常是指的是结构的固有的一些性质，如震动频率等不发生变化。

3.2结构设计方案的计算

结构设计优化设计作为一个非线性的优化问题，主要通过多个变量及多个约束条件表现出来。在对优化方案进行计算设计时，应使原有的约束条件转化为无约束条件来进行计算。常采用的方法主要有：拉氏乘子法、符合型法及Powell等。在对设计方案进行制定以后，需要对运算程序进行编制，能够促使计算出的结果符合最优效果。

3.3结构整体与局部优化

建筑结构设计具有层次性，并且相对比较复杂，因而必须运用技术措施优化整体与局部设计工作。就层次来说，它包括设计体系、结构体系、安装设计体系等，并且每个体系还包含不同的分支体系。设计中必须考虑建筑结构的具体情况，优化每个分支体系结构，进而完成整个设计工作。同时，设计还包含原料选取、零部件选择、结构类型选择等内容，具有一定的复杂性，这也是设计中需要考虑的问题。针对这些特点，设计中必须从整体入手，细化设计工作，提高设计水平。

3.4上部结构优化

对房屋建筑上部结构进行优化，首先需要将剪力墙进行合理布置。具体做法是让剪力墙质量保持均匀，使得对称楼层平面中心和同楼层结构重心重叠在一起，减小地震、劲风等外部作用力的影响。在房屋类型达到标准的情况下，要应用大开间的剪力墙构造，适当的增长剪力墙墙肢，减少墙肢数量，降低混凝土应用。其次因为剪力墙的暗柱通常都采用的是钢筋，这样就可以应用大开间剪力墙来减少钢筋的数量。不过，在建筑场地地质复杂或较差的情况下，不能削减钢筋数量，这时就不适合运用大开间剪力墙构造。

3.5下部地基基础优化设计

地基基础的优化设计不仅可提高整个建筑的稳定性，还可能直接影响整个工程的总造价。因此，在建筑设计中要根据上部建筑的结构体系及建筑场地的关系，选择科学合理的方案。若场地条件满足天然基础要求，往往首选天然基础，因为造价要相对低一些。若要选择桩基，需根据现场地质条件、水文环境以及施工条件选择合适的桩基类型，最大限度地降低工程造价和投资。因为在实际施工过程中，桩端持力层深度决定着灌注桩桩长及基础施工工期。所以要对方案进行比较，尽量做到科学合理，经济可行。在遇到有溶洞的建筑场地时，应探明溶洞分布情况、大小及溶洞深度，根据溶洞上部土层情况选择方案。若溶洞比较稳定，且溶洞上部土层可以作为基础持力层，应选上部土层作为基础持力层，尽量避开处理溶洞。有时还要比较溶洞处理和减少上部建筑重量对投资的影响，两者需要择优选择。

3.6分段优化设计分析

在限定的那些使用期限以内，每一项目工程中每一环节可以挑选的设计方案皆很多，换句话而言即每一个阶段皆有优化的方案存在。相关设计人员可依据每个阶段性质对对应的一些优化方法进行选取，也就是说优化工程的寿命期，最终在每个阶段皆优化项目，确保建筑施工质量的同时将企业的经济效益大幅提升。

3.7概念设计结合细部结构设计优化

概念设计应用于没有具体数值量化的情况，例如地震设防烈度，因为它的不确定性，计算式难免与现实有较大的差异，在进行设计的时候就要采用概念设计的方法，把数值作为辅助和参考的依据。设计过程中需要设计人员灵活的运用结构设计优化的方法，达到最佳的效果。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处易出现裂缝，可划分为矩形板。注意钢筋的选择，I级钢和冷轧带肋钢市场价格差不多，但是他们的极限抗拉力却相差很大，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。在做结构设计的时候，外立面上的悬挑板及配筋，满足基本的规范要求即可，达到既安全又经济的目的。

3.8对建筑实用性进行优化

在对于房屋结构设计时，首先要对于房屋的实用性设计进行优化，改善建筑物的结构形式，保证建筑物的整体安全。设计者在设计的过程中，需要对于建筑物的规则性、对称性与布局的合理程度进行优化，避免由于设计过程中，过于追求建筑物的艺术性，而忽略建筑的安全性与实用性。

3.9结构优化与建筑优化保持协调

对于结构设计既要保证结构的整体性，又要与建筑平面功能紧密配合，这样才能实现建筑本身的功能与结构相应合理性的效果。对于建筑系统来讲要保证平面简洁，墙体与立柱不能有错位的现象，高度与截面的面积相通。在楼体设计时，自身受力较多的转角区域，要选择高强建材做为承重的材料，从而更好地降低自重。对于结构整体来讲要保证重心、刚心、质心三者正确交叠，防止扭转的状况出现。

4结语

利用对建筑的结构进行设计优化，可以保证建筑自身的功能，并且对工程资金投入进行控制。设计师在对结构进行优化设计时，要大胆创新，多借鉴和使用一些新的结构形式和设计思路，不仅仅满足于结构的纵向功能齐全，应力均匀，刚柔度适中，还要根据建筑的特点，充分融入自己的创意和理念，使得建筑能够“形神兼备”。

参考文献：

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[2]周汉杰.建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用[J]. 中华民居(下旬刊),2014,01:117

[3]张海滨.建筑结构设计中的优化策略[J]. 产业与科技论坛,2014,05:71-72.

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