1、浅论建筑结构的优化设计【摘要】结构设计简而言之就是用结构语言来表达建筑师及其它专业工程师所要表达的东西。用基础，墙，柱，梁，板，楼梯，大样细部等结构元素来构成建筑物的结构体系，包括竖向和水平的承重及抗力体系。把各种情况产生的荷载以最简洁的方式传递至基础。在当今这个讲求低碳生活的环保型社会里，节约型的社会观念已经深入人心了。因此，建筑的供求双方都对建筑结构的优化设计这一环节提出了更高的要求。因此，对房屋建筑结构设计中建筑结构优化设计方法的提升变得越来越重要了。 【关键词】建筑结构；优化设计；必要性；实例分析；注意事项 一、为什么要进行建筑结构的优化设计 最近一些年来，由于人口压力增大，土地资源变
2、得越来越紧张了，土地市场的波动也发了一些变化。土地价格不断上涨，不仅使土地开发商倍感压力，也大大增加了住房消费者的经济负担。此外，随着生活条件的不断提高，人们对于居住条件和环境各方面的要求也不断提高，顺应这些潮流，建筑设计师们就应该利用房屋建筑设计中建筑结构优化设计的方法，开发有限的空间资源，发挥这些资源的最优效果，最终实现建筑房屋经济实用性的最大化。 工程设计人员为了使建筑结构设计得到最优，必须以确保结构稳定为前提条件，然后通过对建筑结构进行合理分析，运用精准的设计理念和方法来使设计达到最优，从而更有效地掌握工程的造价，符合投资方的资金要求。借鉴先前优秀设计的经验，我们可以看到，与传统的设计
3、方法比较，优化设计往往能够使工程造价减少 5%30%。因此，要实现降低工程造价的成本的目的，在工程建设过程中，使工作人员对优化设计的设计的牢固掌握是很必要。此外把提高技术和经济效益二者有效结合，通过不断完善设计方案，实现工程造价最低，从而实现更大的社会效益。二、如何进行建筑结构的优化设计 结构的设计过程结构设计的阶段大体可以分为三个阶段，结构方案阶段，结构计算阶段和施工图设计阶段。方案阶段的内容为：根据建筑的重要性，建筑所在地的抗震设防烈度，工程地质勘查报告，建筑场地的类别及建筑的高度和层数来确定建筑的结构形式（例如，砖混结构，框架结构，框剪结构，剪力墙结构，筒体结构，混合结构等等以及由这些结
4、构来组合而成的结构形式） 。确定了结构的形式之后就要根据不同结构形式的特点和要求来布置结构的承重体系和受力构件。 结构计算阶段的内容为：首先，荷载的计算。荷载包括外部荷载（例如，风荷载，雪荷载，施工荷载，地下水的荷载，地震荷载，人防荷载等等）和内部荷载（例如，结构的自重荷载，使用荷载，装修荷载等等）上述荷载的计算要根据荷载规范的要求和规定采用不同的组合值系数和准永久值系数等来进行不同工况下的组合计算。其次，构件的试算。根据计算出的荷载值，构造措施要求，使用要求及各种计算手册上推荐的试算方法来初步确定构件的截面。再次，内力的计算，根据确定的构件截面和荷载值来进行内力的计算，包括弯矩，剪力，扭矩，
5、轴心压力及拉力等等。最后，构件的计算。根据计算出的结构内力及规范对构件的要求和限制（比如，轴压比，剪跨比，跨高比，裂缝和挠度等等）来复核结构试算的构件是否符合规范规定和要求。如不满足要求则要调整构件的截面或布置直到满足要求为止。 三、建筑结构设计优化在房屋结构设计中的运用实例分析 某房屋工程为五层写字楼， 总面积为 6365 m2，长度为 55.3m，宽为 16.3 m，房间开间为 4.7m， 走廊宽 2.5m，层高为 3.5m。以粉细砂层为基础持力层， 冻土深度 1.05m，地下水位埋深约 5m，抗震设防烈度为9。对于这个工程所运用的建筑结构设计优化方法主要是从建筑整体和分部结构两方面实现结
6、构设计优化。 3.1 房屋建筑整体的设计优化 要想使房屋建筑整体的设计达到最优，必须先塑造结构优化模型，再确定使用的最优计算方案和步骤， 随后通过计算结构的科学分析的三个步骤来实现。第一步：（1）挑选并确定设计变量。设计变量通常挑选与建筑设计有着重要联系的因素来作为参数， 而把其他对建筑设计影响较小的因素作为预定参数，从而减少设计的工作量；（2）制定优化设计目标函数；（3）确定模型约束条件。通常在楼房可靠度优化设计中， 其约束条件主要包括结构强度约束、应力约束、变形约束、裂缝约束、弹性约束等。第二步：在应用房屋结构设计优化方法时， 依附于可靠度的优化设计变量较多、非线性优化较多， 为使计算便捷
7、， 可以将约束优化转化为无约束问题来算，常见的计算方法有拉式乘法、Powell 法等。依照优化模型与计算方法来制定计算程序。第三步：通过优化模型的确定和求解， 不难发现建筑结构设计中存在的一些问题，并通过不断寻找解决问题的方法，深入优化建筑结构的设计，从而实现建筑结构的更安全、更适用、更经济。 3.2 房屋建筑分部结构设计优化 高约几十米的写字楼， 抵抗地震的能力暂时定为 7.5 度， 为了达到抗震的目的，建筑基础的设计应该采用短柱的形式。把临近的两条短柱中心间距的 1/15 当作建筑基础拉梁的剖面长度。一般情况下，如果在建筑工程施工过程中，建筑高度相对比较低的时候，可以把钢筋的使用数量降低到
8、最低。然而，为了使房屋的抗震结构和建筑物梁柱的弯曲度与房屋上面的混凝土结构保持协调，就需要把基础拉梁的设计作为最大。3.3 钢筋混凝土框架结构设计的优化 如果某一建筑使用的是钢筋混凝土框架的结构体系，就需要运用标准的方法去实现建筑结构设计的最优化。在应经得知的建筑结构的截面的前提下， 采用限制性的分元法，对建筑物的整体结构进行物理受力方面的测试分析， 之后再对建筑结构进行分解，优化具体建筑物构建的各个部分，运用公式进行推算， 从而计算出建筑施工过程中建筑物所需要的钢筋混凝土框架的最优化结构。 3.4 建筑结构计算周期设计优化 为了提高建筑物的质量，一般写字楼都设计成轻薄的墙体，这样就可以使建筑
9、物的使用寿命和设计年限相等。此外，还要对建筑结构计算时间乘以折减系数 0.6 0.7 进行折中计算。 四、建筑结构优化设计时应注意的事项 4.1 关于箱、筏基础底板的挑板问题 从结构角度来讲，如果能出挑板，能调匀边跨底板钢筋，特别是当底板钢筋通长布置时，不会因边跨钢筋而加大整个底板的通长筋，较节约；出挑板后，能降低基底附加应力，当基础形式处在天然地基和其他人工地基的坎上时，加挑板就可能采用天然地基；能降低整体沉降，当荷载偏心时，在特定部位设挑板，还可调整沉降差和整体倾斜；窗井部位可以认为是挑板上砌墙，不宜再出长挑板。虽然在计算时此处板并不应按挑板计算。 4.2 该注意前期参与 言，前期施工方案
10、的确定会直接关系到建筑施工需要的总投额度，而现在往往是结构设计并不参与前期方案的制定。因为建筑设计师在进行建筑施工设计时，一般不会过多的考虑建筑结构的科学性和可操作性，但是建筑设计的结果却直接影响着结构设计。此外，一些方案还可能会使结构设计的难度增大，并使得建筑施工的总投资增加。 4.3 结构的设计优化 在地基基础的结构设计优化方面，首先要选择恰当的建筑设计方案。如果建筑物为桩基础，那么就要依据施工现场的地质条件对桩基的类型进行选择，尽量降低成本。桩端支持力的部分对灌注桩桩长的选取很有借鉴意义，所以应该尽可能多的进行比较从而确定最适合的施工方案。 参考文献： 1 赵良恒. 房屋建筑结构设计的经济性及优化技术应用探讨J. 建筑，2014 2陶小林，杨杨. 浅谈房屋建筑结构设计中的应用优化技术J. 科技创新与应用，2013
