结构设计优化技术及其在民用房屋结构设计中的应用.doc

1、结构设计优化技术及其在民用房屋结构设计中的应用摘要：结构设计优化技术主要指的是在建筑行业中设计部门和设计人员遵循“经济、合理、适用”的原则，采用现代化的先进技术，合理优化设计结构和环节的新型技术。本文正是基于对结构设计优化技术的分析，阐述其在民用房屋结构设计中的应用，为未来建筑结构的优化设置提供一些可行性思路。 关键词：结构设计优化技术;民用房屋结构;设计;应用 Abstract: Structural design optimization technology mainly refers to the design department and design personnel in th

2、e construction industry to follow the “economic, reasonable, application of“ principle, the use of advanced technology of modern, new technology optimization design of structure and process. This paper is based on the analysis of the technology of structural design optimization, explains its applica

3、tion in the design of civil building structures, to provide some feasible ideas for future building structure optimization settings. Key words: structural design optimization; civil building structure design; application; 中图分类号： TB482.2 文献标识码：A 文章编号： 1、前言 近年来，我国建筑业不断发展，取得了一些可喜的成果。但是仍然出现资源浪费严重、造价成本过高

4、的现象。这为建筑企业的未来发展带来了隐患。其中建筑结构的造价在建筑项目整体造价上占有很大比例。如何优化建筑结构的造价是摆在设计人员面前的一道难题。结构设计优化技术的产生正好解决了当前的问题。其设计原则是：经济、合理、适用，这样大大降低了建筑工程的造价成本，也为企业带来巨大的经济效益和社会效益。 2、建筑结构设计优化技术的应用和意义 建筑结构设计优化技术主要应用于两方面：房屋工程分部结构的优化设计以及房屋工程结构的总体优化设计。房屋工程分部结构的优化设计由四部分组成：基础结构方案、结构细部设计、围护结构方案、屋盖系统方案。其中针对以上四部分还具体分为布置、造价分析、选型、受力分析的优化设计。建筑

5、结构设计优化主要是根据设计图纸和设计规范的要求，结合具体的工程情况，围绕“经济、合理、适用”的原则以及经济效益的目标进行结构上的优化设计。 近年来，中国在不断倡导构建可持续发展的和谐社会，建筑业也不例外，更是将经济效益与社会效益的和谐作为重中之重。建筑结构的设计优化正好体现了这种思想，注重将长远利益与眼前利益结合起来，发展可持续性的新型建筑结构。其较传统的建筑结构设计相比，降低了5%30%的工程造价。建筑结构设计优化技术主张全面合理的利用设备材料的性能，完善并协调建筑的内部结构，保证建筑的安全性和效用性，达到“经济、合理、适用”的目的。 3、在民用房屋结构设计中所应注意的问题 民用房屋的主要受

6、众群体为广大的老百姓。其对住房的要求，更注重经济、适用、美观、合理、性价比高等因素。所以在对民用房屋结构设计时，更应该考虑其自身的独特的要求。 结构设计与工程造价 民用建筑楼层的层数与建筑面积造价有直接联系。但是对于房屋工程分部结构的联系不大，例如，由于楼层的不断增多基础结构部分的荷载逐渐增大，这就要求不断增加基础结构的承载力，但与之相反基础结构部分的单位面积的造价会随着楼层的增加而开始递减；承重结构一般包括：梁、柱、承重墙等。这些会根据楼层的变化而增加承载和抗震、承重的能力，因此在造价上也要不断提高；屋盖系统不会因为楼层层数的增加而发生变化，都可以共用一个屋盖。 高层住宅结构设计与经济性 楼

7、层的高度与工程造价有着密不可分的关系。楼层越高，所花费在墙体面积、结构设计等地方的费用会越高，投入也越大。从优化结构设计的角度分析，降低层数是节约能源、节省材料、缩小日照距离、节约用地的好方法。 相同建筑面积时，建筑形状也会影响其结构的造价。所以，一般设计师倾向于选用矩形作为楼房结构形状。这是因为矩形的外墙周长系数最小，外墙内外表面装修、砌体基础等部位也会减小，同时，矩形受力性能好，造价普遍比其他形状要低，既方便又实用。 结构设计的平面布置与竖向布置 在建筑结构的平面布置上要尽量做到对称和规则，减少刚度中心和质量中心的差异，以免在水平荷载的重压下发生扭转出现断裂。竖向布置上，要尽量满足功能需求

8、，做到竖向承重分布均匀，上下贯通，减少扭转层的运用。同时，竖向刚度做到渐变，避免由于突变使水平荷载出现应力聚集，影响结构抵抗水平动力 的荷载。 建筑与用地 高层民用建筑中，整体的建筑面积是各楼层建筑面积的总和。在占地面积固定的情况下，楼层越高，建筑总面积会越多，但平均的单位建筑面积会减少。另外，楼层的高度越高，总高度也会随之增加，使得房屋的间距有所加大。显然，楼层数与用地的节约量之间没有本质关系。所以在优化结构设计上可以忽略用地的因素。 4、结构设计优化方法 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，而建筑设计优化设计

9、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。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的目标进行结构优化设计。进行结构设计时，应在满足设计意图后，尽量使平面布置规则，缩小刚度和质

10、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。 结构优化设计模型 结构设计优化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

11、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。 结构优化计算方案 结构设计优化设计多个变量、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。 5、结构优化设计在民用建筑机构设计中的应用 概念设计优化技术和建筑结构设计 概念设计优化是设计师在设计结构之前结合实际的建筑经验对建筑的结构进行合理性的、多方案的一种“理想化“设计。它更注重对同一建筑

12、方案的不同结构布置设计；对同一分析中的设计参数、荷载取值的不同；对建筑细节的不同处理；对同种荷载情况下的不同分析方式。见图 1 图 1 优化技术设计的流程 概念设计处理的实际建筑设计问题 概念设计优化的关键内容在于如何应对建筑物可能出现的不确定因素。例如：我国是一个地震高发地区，每年因为地震所发生的楼房倒塌所造成的人员伤亡很多。地震超强的破坏力和无法预测性是我们在结构设计中必须考虑的，采取一定的防震措施，加强设计结构的抗压性以及抗震性，提高遇到灾害的防御能力。具体设计如下：采取多道设防思想，使次要构件先发生损坏，减耗部分地震能量，增加人员生还的机会，尽可能降低地震所带来的损失。多道设防思想在整

13、个设计过程中十分重要，应作为重要的指导思想贯彻其中；采取对称、刚度均匀的结构，减少地震对结构的不利影响，保证结构的稳定性和固定性；采取延性设计，增加韧性，防止结构在地震中出现脆性破坏，带来不必要的人员伤亡。 6、总结 建筑结构优化设计是建筑工程中对实用性和经济性的完美追求，更是现今建筑行业高科技、高环保，现代化的体现。合理运用建筑结构优化设计，强化资源配置，使各环节，各资源都呈现和谐，达到经济效益和社会效益的双丰收。 参考文献： 1 张红友. 优化结构设计 减少建设投资成本J. 陕西建筑, 2008,(11) .2 饶远文. 结构设计优化技术及其在房屋结构设计中的应用J. 价值工程, 2010,(09) 3 孙有果. 结构设计优化技术在房屋结构设计中的具体应用探讨J. 科技致富向导, 2011,(26) . 4 潘亮. 房屋结构设计中机构设计优化技术的应用J. 科技风, 2011,(12) . 5 邹俊. 建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的现实应用J. 科技传播, 2010,(19) .