結構設計優化設計技術與其在房屋結構設計中的應用

鄭智垚 樂肖軍

（湖州市建工集團，浙江 湖州 313000）

近年來，由于土地價格市場的變化，不斷上漲的土地價格給開發商的建筑總成本控制帶來了極大的壓力，同時，人們對于居住條件及生活環境的要求不斷提高，相應建筑產品的品質要求也就不斷提高，這就讓開發商不斷尋求新的手段滿足顧客需求，而降低工程造價就成為開發商追求的直接目標，這就需要我們利用結構設計優化設計技術方法，提高有限空間、有限資源的最大化效果發揮，實現經濟化、實用性和適用性的良好目標。

一、結構設計優化方法

賞心悅目的建筑是建筑的美觀與結構設計相互協調密切配合的結果。建筑結構設計追求適用、安全、經濟、美觀和便于施工五種效果，而建筑設計優化設計技術方法的應用不但滿足了建筑美觀、造型優美的要求又能使房屋結構安全、經濟、合理，成為實際意義上的"經濟適用"房。從建筑上分析結構設計優化方法，它主要體現在房屋工程分部結構的優化設計和房屋工程結構總體的優化設計量方面。

房屋工程分部結構優化設計包括：基礎結構方案的優化設計、屋蓋系統方案的優化設計、圍護結構方案的優化設計和結構細部設計的優化設計。對以上幾個方面的優化設計還包括選型、布置、受力分析、造價分析等內容，在實施過程中，還應該按照一切從實際出發的原則，結合具體工程的實際情況，圍繞房屋建筑的綜合經濟效益的目標進行結構優化設計。進行結構設計時，應在滿足設計意圖后，盡量使平面布置規則，縮小剛度和質量中心的差異，這樣水平荷載就不會使建筑物有太大的扭轉作用。豎直方向上應避開使用轉換層，減少應力集中現象。

（1）結構優化設計模型

結構設計優化就是在各種影響變量中選擇主要參數，并建立函數模型，運用科學合理的方法得出最優解。結構總體的優化建立模型的大致步驟如下：一是設計變量的合理選擇。通常的設計變量選擇對設計要求影響較大的參數，將所涉及的參數按照各自的重要性區分，將對變化影響不大的參數定為預定參數，通過這種方法可減少很多計算編程的工作量。二、目標函數的確定。使用函數找出滿足既定條件的最優解。最后，約束條件的確定。房屋結構可靠度優化設計的約束條件，包括了應力約束、裂縫寬度約束、結構強度約束、尺寸約束、從正常時的極限狀態下彈性約束到終極狀態的彈塑性約束、從可靠指標約束到確定性約束條件等。設計中，要保證各約束條件必須符合現行規范的要求。

（2）結構優化計算方案

結構設計優化設計多個變量、多個約束條件，屬于一個非線性的優化問題，設定計算方案時，常將有約束條件轉變為無約束條件來計算。常用的方法有拉氏乘子法、符合型法、Powell等。完成計算方案的設定后只需編制相應適用的運算程序即可得到我們的最終優化結果。

二、結構設計優化技術的實踐應用

結構設計優化方法應用于實踐之中，是目前一個比較廣泛的課題，利用結構優化的方法在不改變適用性能的前提下達到降低工程造價的目的。結構設計優化設計應用于項目的整體設計、前期設計，舊房改造，抗震設計等設計的各分部環節，發揮著巨大的效益。在按照結構設計優化的方法及模型進行實踐的過程中，要注意下面的幾個問題。

（1）結構設計優化應注意前期參與

因為前期方案的確定直接影響建筑的總投資，而現在存在的普遍問題就是前期方案階段結構設計并不進行參與，建筑師進行建筑設計時大多并不考慮結構的合理性以及它的可行性，但是建筑設計的結果卻直接對結構設計造成影響，某些方案可能會增加結構設計的難度，并使得建筑的總投資提高。如果在方案的初期，結構優化設計就能參與進來，那么我們就能針對不同的建筑類別，選擇合理的結構形式，合理的設計方案，獲得一個良好的開端。

（2）概念設計結合細部結構設計優化

概念設計應用于沒有具體數值量化的情況，例如地震設防烈度，因為它的不確定性，計算式難免與現實有較大的差異，在進行設計的時候就要采用概念設計的方法，把數值作為輔助和參考的依據。設計過程中需要設計人員靈活的運用結構設計優化的方法，達到最佳的效果。

與宏觀把握相對應的，設計的過程同時要注意對于細部的結構設計優化，比如現澆板中的異形板拐角處易出現裂縫，可劃分為矩形板。注意鋼筋的選擇，I級鋼和冷軋帶肋鋼市場價格差不多，但是他們的極限抗拉力卻相差很大，所以在塑性滿足要求的情況下，現澆板的受力鋼筋就可選擇冷軋帶肋鋼筋。在做里面設計的時候，外立面上的懸挑板及配筋，滿足基本的規范要求即可，達到既安全又經濟的目的。

（3）下部地基基礎結構設計優化

地基基礎的結構設計優化首先要選擇合適的方案，如果為樁基礎，那么要根據現場地質條件選擇樁基類型，盡量節省造價。樁端持力層對灌注樁樁長的選擇影響很大，應多進行比較以確定最合適的方案。

三、結構設計優化的現實意義

（1）結構優化設計降低總造價

進行結構優化設計中，多層住宅和高層住宅相比較，層數越多，總建筑面積增大，單位建筑面積占用的土地面積就越小，節約了用地成本，但建筑層數的增多，建筑總高度也會加大，樓與樓之間的間距也要加大，這時占用的土地節約量就不與建筑層數增加比例相同了。另如屋蓋部分，一棟樓只有一個屋蓋，并不會因為層數的增加而有所改變，它的成本下降會比較明顯。對于基礎部分而言，雖然也是各層共用的，但是層數增加，傳給基礎的荷載將會增大，我們需要增大基礎，這樣單位面積的造價有所降低，但是卻沒有屋蓋的效果那樣明顯。

（2）進行結構設計優化提高建筑結構經濟性

建筑的層高增加，由于墻體面積和柱體積增加，結構的自重會增加，基礎和柱的承載力相應增加，水衛和電氣的管線會加長；相反降低層高，可節省材料，有利用抗震，同時建筑的總高度減小，兩建筑之間的日照距離就會減小，間接的節約了用地。建筑面積相同，建筑使用不同的平面形狀時，它的外墻周長也就會不同，這樣當選擇圓形或是越接近于方形時，外墻周長系數就越小，基礎、外墻砌體、內外表面裝修都隨之減少，同時其受力性能也得到提高，增強了建筑的經濟性能。

與傳統的結構設計相比，采用結構設計優化方法可以使建筑工程造價降低6%-34%。優化方法的技術性實現，可以最合理的利用材料性能，使建筑結構內部各單元得到最好的協調，不僅可以實現建筑美觀、實用，而且在造價方面也有較大的節省，達到了建筑工程設計對適用、安全、經濟、美觀和便于施工的一般要求。通過使用優化設計手段，達到這5個方面的最佳結合，符合現今建筑商對于建筑結構的效益的需求，也符合市場可持續發展的需求。

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