浅谈结构设计优化技术在房屋结构设计中的应用

黄小练

摘要：建筑结构的造价在建筑工程中占有较大的比例，结构设计优化技术的应用可以产生可观的经济效益。建筑设计部门和设计人员应严格遵守“经济、适用、合理”的设计原则，精心设计，应用现代化科技手段，选择合理的建筑结构设计方案，实现降低建筑工程造价并取得最大经济效益的目的。

关键词：结构设计；建筑结构；优化技术

建筑结构的造价在建筑工程中占有较大的比例，结构设计优化技术的应用可以产生可观的经济效益。建筑设计部门和设计人员应严格遵守“经济、适用、合理”的设计原则，精心设计，应用现代化科技手段，选择合理的建筑结构设计方案，实现降低建筑工程造价并取得最大经济效益的目的。

1房屋结构优化设计技术的现实意义

1.1结构优化设计降低工程造价

进行结构优化设计，就是对结构设计方案和选择的建筑材料进行多方案的比选，从而得出在经济上、安全上最优的方案。这对减少建筑工程的造价具有很重要的意义，因此，要重视建筑的结构优化设计。在不同的建筑中，不同部分的优化其经济效果不同。比如多层建筑和高层建筑的优化：屋盖部分，一栋楼只有一个屋盖，并不会因为层数的增加而有所改变，多层的成本下降会比较明显；而对于基础部分而言，虽然也是各层共用的，但是层数增加，传给基础的荷载将会增大，我们需要增大基础，这样单位面积的造价有所降低，多层和高层的优化效果差别不大。

1.2进行结构设计优化提高建筑的空间效果

一个优秀的建筑，要同时满足适用、安全、经济、美观等要求。这就要求建筑的适用、美观设计要和结构设计紧密结合。设计师要树立精品意识，精心进行结构方案和材料的多方案比选，得出最符合建筑适用、美观、经济的要求的设计方案。比如建筑的楼盖设计，是采用无梁楼盖、井字形楼盖、还是主、次梁楼盖，其空间效果有很大差异；再如建筑的平面形状选择，在建筑面积相同的情况下，不同的平面形状，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、外墙砌体都随之减少，同时其受力性能也得到提高，增强了建筑的安全性、经济性。结构师要加强和建筑师的沟通，进行多方案比选，得出合适的方案。

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，不仅可以实现建筑美观、实用，而且在造价方面也有较大的节省，达到了建筑工程设计对适用、安全、经济、美观和便于施工的一般要求。通过使用优化设计手段，达到这5个方面的最佳结合，符合现今建筑商对于建筑结构的效益的需求，也符合市場可持续发展的需求。

2结构设计优化方法的理论体现

在从事工程项目和结构的设计时，除了要考虑设计对象的基本使用功能及安全可靠性外，还应该考虑到把它设计对象设计得尽可能完美。这就是工程和结构的最优化问题。用科学的语言来描述就是：利用确定的数学方法，在所有可能的设计方案的集合中，搜索到能够满足预定目标的、最令人满意的方案。结构设计优化方法从建筑理论上分析，具体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两方面。后者的优化设计包括：楼盖系统方案的优化设计、竖向结构方案的优化设计和结构构造设计的优化设计。穿插其中的，还包含选型、布置、受力分析、造价分析等项目，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的目标进行结构优化设计。

设计师在保证设计安全的前提下，应该敢于挑战新的结构形式。在建筑结构设计的过程中，在基本满足建筑师设计意图的基础上，平面布置应尽量规则，对称，尽量缩小质量中心和刚度中心的差异；使建筑物在水平荷载作用下不致产生太大的扭转效应。竖向布置上，在满足功能要求的前提下，尽量使竖向承重构件上下贯通；能不使用转换层的就应避免使用，以减小结构分析和设计上的困难，另外也不经济，还容易造成应力集中；竖向刚度最好不要突变，而要渐变，否则突变处在水平荷载作用下会出现严重的应力集中现象，这对结构抵抗水平动力荷载是十分不利的。

3结构设计优化技术在建筑结构设计中的应用

3.1直觉优化（概念设计优化）技术与建筑结构设计

对于同一建筑方案，可以有许多不同的结构布置设计；确定了结构布置的建筑物，即使在同种荷载情况下也存在不同的分析方法；分析过程中设计参数、材料、荷载的取值也不是惟一的：建筑物细部的处理更是不尽相同，这些问题是计算机无法完全解决的，都需要设计人员自己作出判断。而判断只能在结构设计的一般规律指导下，根据工程实践经验进行，这便是前面所说的概念设计。因此，概念设计存在于设计师对多种备选方案进行选择的过程中。

3.2概念设计处理的实际建筑设计问题

概念设计所要处理的问题多种多样。但可以肯定的是希望通过概念设计，建筑结构能在各种不期而遇的外部作用下不受破坏，或将破坏程度降至最低。因此，分析如何应付建筑物可能遭遇的各种不确定因素成为概念设计的重要内容。其中，地震作用最为难以琢磨，破坏性也最大。故而，建筑设计过程中就应该未雨绸缪，从计算及构造等各个方面都要采取一些有助于提高抗震能力的措施，不利于抗震的作法则应尽量避免。刚度均匀、对称是减小地震在结构中产生不利影响的重要手段；延性设计则能有效地防止结构在地震作用下发生脆性破坏；多道设防思想能使建筑在特大地震作用下次要的构件先破坏，消耗一部分地震能量。这些抗震设防思想在整个设计过程中都应该作为概念设计的重要指导思想。

4房屋结构进行优化设计的措施

房屋结构的优化设计方法旨在降低工程造价成本费用，并为房屋的建成后的经济效益提供基础条件，根据实践的设计经验，笔者提出以下的优化措施。

4.1选择经济合理的结构类型

房屋结构形式的选择，意味着选择不同工程造价的建设模式。以竖向结构体系为例，常见的结构有如下三种。（1）剪力墙结构，这种结构形式常见于高层建筑，承受竖向力、水平力的能力均较大，横向刚度大，因此可以建造比框架结构更高、更多层数的建筑。但是只能以小房间为主的房屋，如住宅、宾馆。（2）框架结构，具有大开间、布局灵活性强和造价成本低的优点，但这种结构抗震能力弱，柱截面较大，形成的柱角凸出部位会妨碍家具的布置。（3）框架一剪力墙结构，即在框架结构中合理进行一定数量剪力墙的布置，这种结构合理，适用能力强，而且能够应对各种不同的变形压力，是一种抗侧力较好的结构。以上的三种结构模式各具优缺点，但我们在选择结构模式的时候，不能片面认为造价最低的方案就是最科学合理的方案，而是我们要结合房屋业主的功能需求，以及建设单位的投资水平和施工能力等方面的因素进行结构类型的综合分析，将投资与收益进行平衡优化，根据工程条件的客观实际情况选择最为合适的结构模式。

4.2优化基础方案

基础设计是结构设计里面最具不确定因素的内容，不同的项目，处于不同的地块，其地质情况不一样，为了得到既安全又经济的的基础方案，就要进行认真的方案比选。笔者在工作实践中，碰到过以下例子：

多层洋房及别墅小区，项目基本情况为：洋房5层，别墅3层，局部设置一层地下室，地下室埋深为4.2m。项目地质情况为：场地内的岩土层主要为填土、第四系坡、残积相的黏性土、碎石土等。场地填土层较厚，大部分地区厚度在5～8米，最深处达到14米；下部持力层深度变化较大，土层面高差基本在4～5米左右。考虑到上部建筑为3～5层的多层建筑，柱底荷载较小，距持力层距离较大，基础方案有3种：A、静压式预制桩方案，B、长螺旋灌柱桩方案C、复合地基浅基础方案（深层水泥搅拌桩、CFG桩、换土垫层法）。从成本、安全性、施工可行性等方面进行比选考虑：单从成本估算结果来看，采用静压式预制管柱和换土垫层成本较低，采用长螺旋灌柱桩、CFG桩及深层水泥搅拌桩成本相对较高。从施工方面比较：静压式预制柱施工简便、速度快、无污染、质量保證、安全；长螺旋灌柱桩方案及深层水泥搅拌桩、CFG桩方案施工简便、速度较快、污染场地、质量保证、安全；换土垫层法施工简便、速度快、无污染，但持力层深度变化较大时，换填深度较大，地基均匀性较差，可能引起上部结构沉降过大或差异沉降过大，从而导致上部结构的开裂或整体倾斜等不良影响。经过综合比选后采用了静压式预制管桩，可取得较好的安全、适用、经济效果。

4.3优化地下室布置

地下室结构在结构成本中所占的比重很大，而且地下室的结构离散性比较大，对其他部分的影响和关联不明显，做好地下室结构的优化设计对于控制整个结构成本至关重要。尽量抬高±0.000的标高，因为这不仅节约了土方的开挖和外运、基坑支护的成本，还减少了地下水对地下室的受力影响，从而减少底板和抗拔桩的结构成本。对地下室的结构成本控制还要把握好地下室顶部覆土厚度的控制，地下室顶部覆土的厚度一般与景观布置和地下管线的埋设要求有关系，这就要求在设计管理过程中把景观设计和管网设计提前介入，做好精细化设计和专业配合工作，严格控制好地下室顶部覆土的厚度。最后，要把握好地下室顶板和底板的布置方案，对这些结构布置方案做多方案成本比较，全方位的把握方案的可行性，选出最优方案。

4.4优化剪力墙设置

剪力墙长度和数量主要以位移指标来控制，规范规定纯剪力墙结构的层间位移比限值为1/1000，为充分发挥剪力墙的最大作用，设计时可以以/1050～1/1500作为层间位移比的目标限值，在保证建筑物安全富余的前提下减少不必要的剪力墙体，从而从整体上节约造价。

4.5优化梁的布置

楼盖造价约占结构总造价的12%，其重量约占整个房屋重量的20%左右。梁属于楼盖的一部分，其布置直接影响着板的受力情况和配筋，合理布置梁也成为了控制造价的关键。对于标准层等承受荷载较小的楼板优先考虑主次梁结构，其综合成本一般会比井字梁低约10%左右，而对于地下室顶板等承受荷载较大的楼板应选用井字梁，以满足协调受力、保证净高的要求。同时，取消那些小跨度楼板下部为支撑上部较短填充墙而设置的小梁（如厨房、卫生间等），因为楼板本身足以承载那些填充墙，不需单独设梁，这样梁减少，成本降低，空间也变好。

4.6优化楼板厚度

楼板厚度直接影响着结构荷载，厚度增加，荷载加大，梁、墙、基础均会加大，成本也随之增加。同时，对于标准层受力较小的楼板来讲，配筋均按最小配筋率来要求，楼板厚度增加反而配筋增大，所以实际工程设计时楼板厚度也是一个降低成本的控制要素。

5结语

建筑是凝固的艺术，建筑师总是希望通过建筑物表达自己的设计意图，力求艺术性和实用性的完美结合。结构师在保证安全性的前提下，当然应该敢于挑战新的结构形式，使建筑师的意图得以实现。在建筑结构设计的过程中，在基本满足建筑师设计意图的基础上，平面布置应尽量规则，对称，尽量缩小质量中心和刚度中心的差异；使建筑物在水平荷载作用下不致产生太大的扭转效应。竖向布置上，在满足功能要求的前提下，尽量使竖向承重构件上下贯通；能不使用转换层的就应避免使用，以减小结构分析和设计上的困难，另外也不经济，还容易造成应力集中；竖向刚度最好不要突变，而要渐变，否则突变处在水平荷载作用下会出现严重的应力集中现象，这对结构抵抗水平动力荷载是十分不利的。

参考文献

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