结构设计优化技术与其在建筑结构设计中的应用

　　Abstract: People's material demand and market price change makes the construction cost to rise, at the same time building energy-saving requirements continue to increase, the structure optimization design method for building structure optimization design is the important means to maximize resources, this paper establishes the structure optimization design method of the model and calculation method, and emphasizes the design of building structures application of attention to matters, in architectural practice with strong maneuverability, and structure optimization design for construction market development has brought far-reaching significance.

　　Key words:structural design optimization technology;design of building structure;a new type of structure application

　　摘 要：人们物质需求及市场价格变化使得建筑的成本攀升，同时建筑节能要求不断提高，利用结构设计优化的方法对建筑结构进行优化设计是实现资源最大化的重要手段，本文建立了结构优化设计方法的模型及计算方法，同时强调了其在房屋结构设计应用中的注意事项，在建筑实践中具有极强的可操作性，同时结构设计优化也给建筑市场的发展带来了深远的意义。

　　关键词：结构设计优化技术 房屋结构设计 新型结构形式应用

　　中图分类号：TB482.2 文献标识码： A 文章编号：

　　近年来，人们对于居住条件及生活环境的要求不断提高，相应对建筑产品的品质要求也不断提高，同时国家大力提倡建筑节能，这就需要我们利用结构设计优化技术方法，提高有限空间、有限资源的最大化效果发挥，实现经济化、实用性和适用性的良好目标。结构设计优化技术就是在原设计方案的基础上，结合新工艺和设备的使用，增加新材料的投入，采用新型结构体系进行局部设计的改变，使技术更可行，更加满足建筑功能要求，同时节约材料，降低造价。

　　从建筑上分析结构设计优化方法，它主要体现在房屋工程分部结构的优化设计和房屋工程结构总体的优化设计量方面。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，还应该按照一切从实际出发的原则，结合具体工程的实际情况，围绕房屋建筑的综合经济效益目标进行结构优化设计。

　　一、结构设计优化方法

　　进行结构设计时，不同方案的选择及不同的建筑材料的选用对工程整体会有较大影响，应在满足设计意图后，尽量使平面布置规则，缩小刚度和质量中心的差异，这样水平荷载就不会使建筑物有太大的扭转作用。竖直方向上应避开使用转换层，减少应力集中现象。

　　(1)结构优化设计模型

　　结构优化设计模型就是在各种影响变量中选择主要参数，并建立函数模型，运用科学合理的方法得出最优解。结构总体的优化建立模型的大致步骤如下：一是设计变量的合理选择。通常的设计变量选择对设计要求影响较大的参数，将所涉及的参数按照各自的重要性区分，将对变化影响不大的参数定为预定参数，通过这种方法可减少很多计算编程的工作量。二、目标函数的确定。使用函数找出满足既定条件的最优解。最后，约束条件的确定。房屋结构可靠度优化设计的约束条件，包括了应力约束、裂缝宽度约束、结构强度约束、尺寸约束、从正常时的极限状态下弹性约束到终极状态的弹塑性约束、从可靠指标约束到确定性约束条件等。设计中，要保证各约束条件必须符合现行规范的要求。

　　(2)结构优化计算方案

　　结构优化设计多个变量、多个约束条件，属于一个非线性的优化问题，设定计算方案时，常将有约束条件转变为无约束条件来计算。常用的方法有拉氏乘子法、符合型法、Powell等。完成计算方案的设定后只需编制相应适用的运算程序即可得到我们的最终优化结果。

　　(3)推广设计标准规范和标准设计

　　工程设计标准规范的形成，来源于大量成熟的、行之有效的实践经验和科技成果，是科技转化为生产力的必要途径。优秀的工程设计标准和规范，不仅优化了设计，减少设计的盲目性，还将大大提高设计速度，有效降低项目的全寿命费用。在标准规范中可以对一些重要的部位采取设计经济指标限额制度，对一些设计部位使用“宜”或“不宜”等引导性语言提示设计人员对方案进行优化，鼓励他们在设计中大胆使用新工艺和新材料。整体结构的科学性和合理性是新规范特别强调内容。新规范用于控制结构整体性的主要指标主要有：周期比、位移比、刚度比、层间受剪承载力之比、刚重比、剪重比等。新的建筑结构设计规范在结构可靠度、设计计算、配筋构造方面均有重大更新和补充，特别是对抗震及结构的整体性，规则性作出了更高的要求。

　　二、结构设计优化技术的实践应用

　　结构设计优化方法应用于实践之中，是目前一个比较广泛的课题，利用结构优化的方法在不改变适用性能的前提下达到降低工程造价的目的。结构设计优化技术应用于项目的整体设计、前期设计，旧房改造，抗震设计等设计的各分部环节，发挥着巨大的效益。进行优化设计，要把握好技术和经济的对立统一关系，既要反对片面强调节约，忽视技术上的合理要求的做法，又要反对设计保守浪费，只重技术，轻经济的思想。在按照结构设计优化的方法及模型进行实践的过程中，要注意下面的几个问题。

　　(1)结构设计优化应注意前期参与

　　结构设计的阶段分为三个：结构方案阶段、结构计算阶段和施工图设计阶段。概念设计是展现先进设计思想的关键，结构工程师的主要任务就是在特定的建筑空间中用整体的概念来完成结构总体方案的设计，客观、真实的理解结构的工作性能，并能够有意识的处理构件与结构、结构与结构的关系，灵活地运用它们。因为前期方案的确定直接影响建筑的总投资，而现在存在的普遍问题就是前期方案阶段结构设计并不进行参与，建筑师进行建筑设计时大多并不考虑结构的合理性以及它的可行性，但是建筑设计的结果却直接对结构设计造成影响，某些方案可能会增加结构设计的难度，并使得建筑的总投资提高。如果在方案的初期，结构优化设计就能参与进来，那么我们就能针对不同的建筑类别，选择合理的结构形式，合理的设计方案，获得一个良好的开端。

　　(2)结构设计优化应考虑采用新型结构体系

　　建筑工业化是我国建筑业的发展方向。建筑工业化是在建筑标准化的基础上采用先进、适用的技术、工艺和装备，发展施工专业化，提高机械化水平，减少繁重、复杂的手工劳动作业。在目前建筑工业化的大背景下，实现建筑工业化首先应从设计开始，从结构入手，建立新型结构体系，包括钢结构体系、预制装配式结构体系，复合木结构建筑等。多层建筑应由传统的砖混结构向预制框架结构发展，高层及小高层建筑应由框架向剪力墙或钢结构方向发展。要使大部分建筑构件实行工厂化作业，减少施工现场作业。

　　(3)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。

　　(4)下部地基基础结构设计优化

　　地基基础的结构设计优化首先要选择合适的方案，如果为桩基础，那么要根据现场地质条件选择桩基类型，尽量节省造价。桩端持力层对灌注桩桩长的选择影响很大，应多进行比较以确定最合适的方案。设计时应重视地质勘察报告的交底工作，选择合理的基础型式，选择经济适用的方案能大大降低造价。

　　三、结构设计优化的现实意义

　　(1)结构优化设计提高材料利用率

　　对我国这样一个发展中国家，结构设计的目的即是花最少的钱做最好的建筑。从优化设计的角度，结构性能最好的方案不一定材料利用率最高，这就要求设计时对结构材料的充分利用，同时也强调使用各种新型建筑材料，如预应力混凝土结构、钢-混凝土结构等。其中钢管混凝土结构是将混凝土填入薄壁圆形钢管内而形成的一种新型结构，它将两种材料有机地结合，可借助内填混凝土增强钢管壁的稳定性，借助钢管对核心混凝土的套箍作用，使核心混凝土处于三向受压状态，从而具有更高的抗压强度和抗变形能力。它的出现使传统意义上的受压破坏特征由脆性变为延性，对结构抗震的延性设计意义巨大，也使超高层建筑底层柱的轴压比限制问题迎刃而解。钢管混凝土与钢结构相比，在自重相近和承载力相同条件下，可节约钢材近50%，并节约大量的焊接工作量。与普通混凝土相比，在保持钢材用量相近和承载力相同条件下，构件截面面积可减少约50%，材料用量和构件自重相应减少约50%。实践证明在结构设计时，使用这些新工艺设备可大大提高材料利用率，降低工程造价。

　　(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，可节省材料，有利于抗震，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。赏心悦目的建筑是建筑的美观与结构设计相互协调密切配合的结果。建筑结构设计追求适用、安全、经济、美观和便于施工五种效果，而建筑结构设计优化技术方法的应用不但满足了建筑美观、造型优美的要求又能使房屋结构安全、经济、合理，成为实际意义上的“经济适用”房。

　　参考文献

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文章名称： 结构设计优化技术与其在建筑结构设计中的应用

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