探析房屋结构设计中建筑结构设计优化方法应用对策

万年春

（广西宏亚设计咨询有限责任公司（原广西壮族自治区工业设计院）　广西　南宁　530000）

探析房屋结构设计中建筑结构设计优化方法应用对策

万年春

（广西宏亚设计咨询有限责任公司（原广西壮族自治区工业设计院）广西南宁530000）

随着现代建筑技术的发展，为了让建筑兼顾使用与美观功能，我们在设计建筑结构时应该尽可能的使房屋的结构全合理，因此，整合和利用好资源，做好结构设计的优化工作很有必要。本文通过分析建筑结构设计优化的特点、要求和作用，介绍了在建筑结构设计中优化方法的过程，希望给予广大同行以参考和借鉴。

房屋；结构设计；优化

引言

现代社会对建筑的要求不仅仅局限在质量方面，更加注重于房屋结构方面。在实际的操作过程中，需要我们利用结构设计优化方法，在有限空间有限资源发挥最大的效果，实现经济、实用、适用的目标。在充分满足人们对房屋结构的安全经济要求下，满足人们对建筑结构的美观要求。所以，建筑结构设计优化方法对房屋结构设计具有重大的意义。

1　建筑结构设计优化方法的概念和特点

建筑结构优化设计方法是指把建筑结构设计方法和审美艺术学结合，在满足施工方便性的前提下，把房屋的功能与建设全都包括在内的结构设计方法，再通过优化选择全部可能性的结构设计方案来保证建筑质量和经济性。通俗的来说就是通过设计使建筑结构达到近乎完美的效果。因此，建筑结构设计优化方法具有节能环保、质量安全性高、经济性强以及便于施工管理的特点。

2　建筑结构设计优化方法的必要性

在建筑结构设计中，必须先解决如何实现建筑结构的长远利益，在对结构设计的合理性做到尽可能的优化。与传统的建筑结构设计方法相比较，优化后的方法能够将工程成本降低10～ 35%，提高材料的利用率，全面发挥机械设备的性能，实现材料的资源优化配置，最大发挥对建筑材料的有效性，间接性的提高了企业的经济效益。

3　建筑结构设计优化方法的过程

3.1建模型

数学模型在建筑结构的优化过程中起到举足轻重的作用，合理的数学模型可以对原有的设计进行充分分析，使得设计结果更加优化。建模型的第一步就是对设计变量进行合理的选择，主要选择对建筑结构影响的主要参数作为设计变量，例如约束控制相关参数，目标控制参数。其他的一些变化较小的用预定参数来表示，这对减小设计量和计算量有很大的帮助。第二步是确定目标函数，为了使工程造价最小，必须找到一组函数能够满足相关的预定条件的截面相应的几何尺寸、钢筋截面积和相应的失效概率。第三步确定约束条件，主要的约束条件有结构强度约束、尺寸约束、裂缝宽度约束、构件单元约束、应力约束等。我们需要对目标约束条件与相应的实际约束条件进行比较分析，确保每个约束条件都满足相关要求。

3.2设定计算方案

由于房屋结构的优化设计根据可靠度进行，具有多约束和复杂的多变量，因此，在经过优化的数学模型已经建立的情况下，需要及时有效的选取最科学的优化数学算法，例如复合形法、拉氏乘子法等，把有约束的优化问题转换为无约束优化问题的求解。

3.3进行程序设计

根据选择的模型和计算方法，编写出一个功能多样、反应速度快的综合性应用程序。

3.4结果分析

对结果分析比较是必须进行的，从中选出最佳设计方案。这要求我们要放眼全局，全面考虑问题，不能只考虑经济性而忽视技术性，也不能只考虑技术性而忽视经济性，需要合理配置才能达到最佳状态。

4　结构设计优化方法在房屋建筑方面的具体应用

4.1整体优化到局部优化

从层次性来说，建筑设计包含整体设计体系、安装体系、结构相关体系等，这几种体系之下又包含许多下属体系，设计人员就需要对每一个很小的下属体系一步步进行优化一步步叠加。从复杂性来说，建筑设计中的建筑材料以及建筑部件千变万化，各种各样。从整体到局部的优化才是最佳。

4.2寿命优化与阶段优化

在建筑的使用寿命周期内的各个阶段根据各个阶段的特点以及实际结果进行科学的优化，既能提高经济性又能提高适用性。

4.3科学优化上部结构

上部结构的优化一般通过建立相应的模型进行系统优化，首先剪力墙的整体质量是均匀的，使得楼层中平面刚度的中心点与楼层整体的结构重心重合，从而减少地震的危害。如果可以，对剪力墙主要采用大开间，增加墙肢的长度，减少墙肢的数量。

4.4桩基础的优化

在地基基础的结构设计中，需要根据工地的地质条件选择相应的桩基类型，尽可能的减少工程造价，这里的桩基础主要是灌注桩和预制桩，灌注桩施工时工序复杂，费时长，一般在沉降符合标准的前提下要加入预制桩的施工来简化工序，但是，随着桩基的加深，土壤与桩基的摩擦会越大，最好选用从长度较长的预制桩。

4.5结构优化和建筑优化

在建筑设计中，对整体来讲，要保证重心、刚心、质心重合，防止发生扭转效应。保证结构与平面的紧密配合才可以实现美观与实用相结合的效果，墙体与支柱不能错位，墙体的高度要与截面面积相通，在受力比较多的转角需要采用高强建材承重来降低自重。

4.6结构优化与排水系统优化

通常建筑中排水系统的专用房间里的设备荷载强度较大，一般将其设置在地下室，保证预留管道尺寸与预留深度符合标准，如果架设管道时穿过承重墙，需要对墙体进行加固，保持结构与管道网之间的整体性，防止出现管道绕梁的现象。

4.7结构优化与电气优化

安装电气管线是在金属管体的外部以导线的形式安装，这样不利于预制结构的施工，所以如果想要管线穿过梁，就要预先在梁上预留孔洞，保证梁体的宽度与墙体的宽度一致。一旦不一致，必须使墙体的一面与梁体的一面对齐，确保管线不会漏在墙体表面。还有电梯需要单独进行分析计算，以确保施工质量。

4.8概念设计结合细部结构设计优化

在数值比较抽象时，大多数采用概念设计。例如在对地震的烈度进行设防时，找不到与之符合的计算式，这时就要采用概念设计的方法把相应的数值作为参考依据。设计者在设计时必须对细部结构进行相应的优化，在满足结构基本要求的条件下，达到安全又经济的目标。

5　建筑结构设计优化方法的注意事项

建筑结构设计优化方法在建筑设计中占有很大的优势，但这并不影响开发商以及建筑公司坚持质量第一的施工原则，万万不能因为追求艺术性和牟取暴利，利用减少建材、降低质量要求来获得最佳施工设计方案。这是原则性问题，另外，计算满足条件的构件并不能代表没有优化的可能，一般会根据实际情况按照相关规范对结果进行核对，尽量把构件截面尺寸调整到最佳。由于仍存在结构模型的误差、楼板刚度的影响、温度、阻尼、基础与上部结构的相互作用，结构设计优化方法还需要根据实际情况采用概念设计检验。

6　结构设计优化方法的理论体现

从理论上对建筑结构设计方法的分析可知，结构设计优化主要是房屋结构总体设计和分部结构的设计。总体设计主要是关于围护结构以及屋盖系统，设计时还要注意相应的布置、选型等问题，要根据工地的实际情况对建筑结构进行优化设计。对于设计者来说，在保证建筑结构处于安全标准下，创新出新的结构形式来适应时代的脚步。在结构设计中，应该尽可能避免使用转换层结构来减少结构分析存在的难度。还要记得注意尽量减小质心与刚心的差距，建筑的平面要对称规则，保证在水平荷载下的建筑不会产生较大的扭转。对于竖直刚度要求刚度的变化为渐变，不存在突变，因为在突变的地方容易出现应力集中现象，导致建筑物抵抗水平方向的动力载荷作用减弱。

7　结语

通过以上对结构设计优化方法的问题进行讨论，要想达到最终最优方案，需要各个方面的参与配合，设计人员要在原有的基础上开拓创新，提高自己的知识水平，建筑方与开发商也不能过分注重经济效益而忽略了建筑本应有的质量保证。对建筑整体进行科学的设计优化能够保证建筑本身的功能，也能控制管理工程的资金投入，在整个房屋的结构设计中有着非常重要的地位，值得我们深思。

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TU318

A

1673-0038（2015）08-0024-02

2015-2-9

万年春（1981-），男，工程师，本科，主要从事建筑结构设计工作。