建筑结构优化设计陈全

建筑结构优化设计陈全

陈全

海南元正建筑设计咨询有限责任公司武汉分公司湖北省武汉市430000

摘要：对建筑结构进行优化，是一项系统复杂的工作，它必须贯穿于整个建筑过程的始终，不能仅仅依靠某一个阶段来实现优化。本文论述了结构优化设计的基本理论和原则，对建筑结构设计中的优化设计问题进行了具体分析。

关键词：建筑结构；优化设计；意义

1建筑结构优化设计的基本理论

结构优化设计不应仅仅在结构本身，而应包括建筑的各方面，科学地确定建筑结构优化设计几项基本原则并有效地按照这些基本原则去进行建筑结构设计，是非常重要的。建筑结构的优化设计主要体现在建筑工程的决策阶段、设计阶段、建设阶段。在建筑工程的决策阶段，确定结构优化设计所要达到的总体目标，满足本体功能，最大程度保障安全性，缩减投资成本：在建筑工程的设计阶段，确定每一个子系统及整体结构的优化布局；在建筑工程的建设阶段，以结构优化设计为建设原则，组织建设好每一个子系统从而实现整体结构优化布局。决策阶段结构优化选择是关键，设计阶段结构优化设计是核心，建设阶段结构优化建设是基础，3个阶段互相验证、互为补充、缺一不可。

2建筑结构设计应遵循的原则

2.1建筑的环保性原则

建筑业的蓬勃发展，虽然带来了建筑经济的快速增长，但是也不可避免的带来了一些社会问题。特别是在国际提倡发展低碳经济的背景下，建筑的能耗污染成为与时代主题相矛盾的存在。在建筑结构的优化中，重视环保理念的融入，在细节上体现环保意识和环保价值成为另一项要求。

2.2提高建筑舒适度原则

建筑结构的优化设计应包含结构体系的优选、传力途径的科学性、构件布置的合理性、构件和材料选用的正确性等内容；应该把尽可能提高建筑投入使用后的舒适度作为建筑结构优化设计的一条重要基本原则。

2.3建筑的安全性原则

建筑作为生存生活的基础，安全性是必须考虑的一个重要因素。特别是现代建筑与艺术发展的融合创新，使得越来越多的设计者开始尝试一些较为新颖的结构和设计方式，这种创新虽然是值得鼓励与支持的，但是忽视了安全因素的创新则是一种盲目的、不科学的创新，不安全的建筑对于人类来说不仅不能够提供帮助，反而会对整个社会带来危害，因此安全性是建筑结构优化必须遵循的一项基本原则。

2.4加强与建筑师的沟通与协调

一个设计精品是建筑师和结构工程师创造性合作的共同成果，在满足建筑物的功能和建筑师创意的前提下，结构工程师有责任对建筑方案提出建设性的意见，与建筑师一起构思最佳的结构体系。结构工程师只有加强结构概念的培养，才能比较客观、真实地理解结构的工作性能。并综合运用其掌握的结构概念，通过反复试算、反馈和优化，选择效果最好、造价最低的结构方案。

3结构优化设计现状分析

按照结构优化发展的难易程度，可将其分为截面或者尺寸优化、形状优化、拓扑优化、布局优化以及类型优化等5个层次，但结构优化在建筑结构设计领域的应用还比较有限，主要因为：（1）在现行国家和地方相关法律法规中，对建筑优化设计的要求不够明确，设计人员往往仅对尺寸、钢筋数目等细节进行优化，没有考虑总体设计理念，无法获得最优结果。（2）设计人员仅了解最基本的结构设计理论和设计软件，在行业内部对结构优化设计理论和方法的推广不足。（3）相关结构优化设计理论和方法缺乏实践检验，由于实际结构设计的影响因素、变量和约束条件较多，给目标函数的建立带来较大困难，因此现有的结构优化方法中界定的优化目标与实际工程需求还有较大差距。

4建筑结构优化的措施分析

4.1加强剪力墙的设计

剪力墙墙肢的试验研究也表明，轴压比超过一定值，很难成为延性剪力墙。影响压弯构件的延性或屈服后变形能力的因素有：截面尺寸、混凝土强度等级、纵向配筋、轴压比、箍筋量等，其主要因素是轴压比和配箍特征值。联肢墙是通过连梁连接的各墙肢联结而成，从而增加了墙肢的约束条件。连梁的刚度增大必将使得结构的地震作用也增大，这样连梁和墙肢分配内力也相应增大，此时必须增大构件的配筋量，显然这一设计结果必然会造成材料的浪费。

4.2保证设计优化的可靠度

对于房屋的结构的设计优化来说，必须确保结构的可靠度，来对优化设计相关的约束条件进行相应的确定，设计优化的约束条件主要包括裂缝宽度约束、结构强度约束、尺寸约束、构件单元约束、应力约束、结构体系约束、从可靠指标约束到确定性约束条件以及从正常使用极限状态下的弹性约束到最终极限状态的弹塑性约束等约束条件。在进行结构设计的时候，确保每个约束条件都必须满足相关要求，以实现最佳的设计。在设计过程中必须对细部的结构进行相应的设计优化，例如，在现浇的混凝土异形的板料，其拐弯处容易开裂，我们可以简化成矩形板，然后再合理的选择钢筋，在满足其结构的基本要求条件下，达到既安全又经济的目的。

4.3结构计算优化

在进行结构计算优化的过程中，设计人员要采用双向板查表结合连续板计算，提高对建筑结构的设计计算效果。结构计算优化要注意以下几方面问题。第一，建筑结构底部剪力法主要适用于建筑结构刚度较为均匀的多层设计结构，可以实现对结构的整体加强。但是，这种剪力法在较为薄弱的底层框架结构中应用效果不佳，一般会产生一定程度的塑性形变，导致建筑结构稳定性降低。第二，底框框架结构要采取双保险的方式进行设计，降低其承种量。按照相关要求进行双保险结构设计，对抗震墙的弹性刚度进行折减，提高其倾覆力矩产生的附加力。

4.4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。

4.5结构设计软件在优化设计中的运用

随着计算机技术以及结构优化设计理论的结合，基于计算仿真的优化设计思路已经在工程结构设计中得到了广泛的应用。通过利用计算机分析软件建立优化设计的分析模型，采用高效的计算机优化计算方法，设立结构设计达到的目标要求，最终实现结构设计的优化目的。在具体的优化设计过程中，优化设计实际上已经由一个工程问题转变为一个数学问题。在大型复杂结构的优化设计中，基于这一思想的结构优化设计方法具有其他算法无法替代的优势。因此，工程设计人员加强基于计算机技术的优化设计分析非常必要。

5结论

建筑结构设计不仅仅包括建筑的结构本身，而且包括建筑的经济效益、居住的舒适度及建筑空间的使用率等等。在建筑结构设计中，首先需要保证建筑物的功能性、耐久性和安全性，在此基础上，采取相应的技术措施，优化结构设计，提高设计水平，才能有效提高企业的市场竞争力。

参考文献

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