关于建筑结构设计优化的探讨

章子南

摘要：在建筑物的结构设计中，选择不同的设计方案以及选择不同种类的建筑材料都会对工程的造价产生较大的影响，因此建筑物结构的优化设计方案尤为重要，本文主要阐述了建筑物结构优化设计的方法，以及对需要进行优化设计的主要部分进行了分析，同时也提出了结构设计优化的现实意义。

关键词：结构优化设计的方法、基础优化设计，现实意义

Abstract: in the building structure design, the choice of different design, and choose different kinds of building materials of engineering cost will be produced great influence, so the structure optimization design scheme is particularly important, this paper mainly expounds the structure optimization design method, as well as to the need for the main part of the optimization design was analyzed, and puts forward the structure optimization design of practical significance.

Key words: the structure optimization design method, on the basis of the optimization design, the practical significance

中图分类号：TU318文献标识码：A文章编号：

开发商只有不断寻求新的手段才能满足消费者的需求，因此降低工程造价就成为开发商首要的追求目标了，要实现这个目标就需要利用结构设计的优化设计方法，来提高有限空间的利用率，使有限的资源发挥更大的作用。

一、结构优化设计的方法

一个优秀的建筑不仅仅是美观与优化结构设计的紧密配合，更是满足了人们对房屋结构安全性能、经济性和设计合理的要求，所谓的结构优化设计方案，就是结合原来的设计方案、新的工艺和设备、新材料的投入，对局部的设计进行改变，不仅要满足技术和功能可行性的要求，还要节约材料使工程造价明显降低。

1、建立结构优化设计的模型

结构优化设计是在各种变量参数中选择主要的参数，并为其建立函数模型，运用合理科学的方法计算出最优解。建立优化结构模型的步骤大致如下：一是，选择合理的设计变量。因为各种设计变量的选择对设计要求的影响是比较的大，在设计的过程中可将所涉及到的变量按照其自身重要性进行区分，将一些变化不大的参数定为预定参数，通过此项工作能减少计算和编程的工作量。二是，确定目标函数。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。①在设计的过程中，要保证各种约束条件必须符合要求，找到满足条件的最优解，并确定约束条件。

2、选择结构优化计算方案

结构优化设计是个非线性的优化问题，在设计中涉及到多个变量和多个约束条件，设定好计算方案，通常是将约束条件变为无约束条件来计算。拉式乘子法、复合型法和POWELL等方法是常用的计算方法，在完成了相应的计算方案后再进行编程运算即可完成最终的优化设计结果。

二、需要进行优化设计的主要部分

在建筑结构优化设计中，不同方案和不同建筑材料的选择对工程的造价都会造成不同影响，尤其是在基础类型的选用、开间的确定、层高与层数的确定以及结构形式选择等方面都有着重大关系。据统计，在满足同样功能的条件下，经济合理的优化设计可以使工程的造价降低10%左右。基础、柱、墙体、楼板、梁、屋面板等是建筑结构的主要组成部分，这几个部分在工程造价中所占的比例也不相同，结构优化设计时对工程的造价影响也不相同，所以在优化方案设计过程中的侧重点也不尽相同。

1、对基础结构的优化设计

基础结构在整个工程工期的1/4左右，并且基础造价也占到总造价的10%-20%，所以基础工程结构的重要性也是显而易见的。而且基础结构工程的造价还与地质条件是密切相关的，设计时对地质勘探报告要求也是极高，选择合理的基础形式、控制好基础的截面尺寸和埋深，能相对减少基础结构在总工程造价中的费用。

2、柱网布局和柱子截面的优化设计

柱网布局决定柱子的开间和跨度（纵向或横向相邻的两个柱子的间的距离），柱网的尺寸一般来说在6到12米之间，如果柱距小那么其传力路线就短，上部结构的材料就能节省，但是这可能使基础费用偏高，所以说柱网布局是否合理，对工程的造价有很大的影响。另外，柱子的截面形状和尺寸对工程造价也有着直接的影响，所以合适的柱网布局、柱子截面的形状及尺寸的选择对工程造价的影响是很明显的。

3、梁的优化设计

在结构设计时通常采用矩形截面梁当做受弯梁，但是这种情况下材料的利用率较低。因为，首先，在靠近中和轴附近的材料的应力较低，再者，梁弯矩会沿梁长变化而变化。由于截面梁大部分区段的应力较低，材料都不能得到很好的利用，要想提高材料的利用率，在设计时可采用平面桁架来代替矩形梁，此时平面桁架就相当于掏空梁，掏去了梁中多余的材料，减轻了其自身的重量，这样既经济又实用，大幅度地提高材料的利用率。

4、结构构件配筋计算的优化设计

在计算建筑物构件尺寸及配筋的过程中，多次反复调整构件尺寸并进行计算，从中总结出最优化的结构尺寸，使得在一个固定荷载常数下，得到最为经济的计算结果。计算结果应满足两个重要的指标：a、计算结果应首先确保结构的安全性，这是重中之重。b、在满足安全的前提下，使配筋量大致控制在结构计算配筋的范围内，使得构件内的钢筋量切实地发挥其受力作用，而并非作为仅仅起到支架作用的构造配筋量。经本人粗略统计，采用此法设计，可以使得最终钢筋量控制在首次计算结果的80%至90%左右。

三、结构设计优化的现实意义

1、降低工程总造价

在进行结构优化设计时，高层与多层住宅相比，层数明显更多，这样总建筑面积也就增大了，单位建筑面积占用的土地面积就越小，从而节约了用地成本，但建筑层数的增多，建筑物的总高度也会加大，这就需要增大楼与楼之间的间距，这时所占土地量的节约就与建筑层数增加不成比例了，因此合理计算单位占地面积在降低总成本中显得更为重要。另外，在高层中一栋楼只有一个屋盖，这并不会因为层数的增加而改变，所以它的成本会有比较明显的下降。

2、提高建筑物结构性能的经济性

由于建筑物层数的增加，使得墙体面积和柱体积总面积有所增加，结构的自重会有所增加，这样基础部分和柱的承载力也会相应地增加，水、电、暖的管线就会加长；相反如果降低层数，就可以节省材料，提高抗震能力，同时由于建筑的总高度有所减小，两建筑之间的日照距离也会减小，这样就间接地节约了用地。在建筑面积相同，建筑物采用不同形状的平面时，它们外墙的周长也不相同，这样当选择圆形或是越接近方形时，外墙周长系数是越小的，从而使得基础部分、外墙砌体、内外装修表面都会随之减少，同时其受力性能也将得到大大的提高，也就增加了建筑的经济性。

四、结束语；通过优化设计手段进一步加深对结构优化设计在工程造价控制中的重要性认识，创造合适的条件，确定合理的目标，采用科学的控制方法，各个方面达到最佳结合，降低工程的总造价，这不仅符合现今建筑商对于建筑结构效益的追求，也是市场可持续发展的需求，更是适应绿色环保的要求。

参考文献

[1]肖伟.通过房屋结构优化设计提高房屋抗震性能[J].福建建筑，2009（1）.

[2]张红友.优化结构设计减少建筑投资成本[J].陕西建筑，2008（11）