淺談結構設計優化在房屋結構設計中的應用

摘要：本文首先強調了結構設計優化的意義、原則及要點，繼而指出了房屋結構設計優化措施，最后分析了結構設計優化理論在房屋結構設計中的合理性評估。旨在促進建筑市場的進一步發展。

關鍵詞：結構設計優化；房屋結構設計；應用

1.結構設計優化概述

1.1意義

相較傳統結構設計而言，結構設計優化能夠大幅降低房屋建筑的工程造價，降低幅度甚至高達25%；結構設計優化能夠充分發揮材料的性能，使房屋結構各組成單元實現有機協調；結構設計優化能夠為建筑整體性方案設計提供科學的決策。總而言之，結構設計優化的有效應用，能使房屋結構設計更加適用，更加安全，更加經濟，更加美觀，更加便于施工。

1.2原則

結構設計優化的意義在于充分發揮材料性能，實現各構件以及各設計專業的最佳配合。它不僅具備了傳統設計方案所要求的安全性，也充分體現了如今社會所提出的價值學及審美學特點。結構設計優化是一個不斷提高結構設計水平的過程。結構設計優化過程中，不應該降低對結構安全度及抗震性能的要求，而是使房屋建筑物在整體上更為協調，不僅實現成本方面的降低，還要實現安全方面的提高。

1.3要點

1.3.1遵循結構設計規范

結構設計優化給設計人員提出了較高的要求，既要求他們經驗豐富，又要求他們熟悉并遵循相關的結構設計規范。規范由于面向大眾工程，因而，在某些規定上會較為保守。另外，對于某些復雜結構設計而言，有些規定并不安全。因此，在具體操作過程中，設計人員要予以判斷、把握和優化，從而促進結構設計質量的進一步提高。

1.3.2加強各專業之間的協作

結構設計優化是一個復雜而系統的工作，需要多專業密切協作。在房屋建筑建設過程中，建筑設計和結構設計是兩個最為關鍵的環節，二者有機結合，一方面能夠提高外觀效果，另一方面能夠降低工程造價。在某些建筑設計中，設計人員為了突出方案的新奇效果，至建筑基本力學規律于不顧，給后續的結構設計造成了諸多困難。所以，只有加強各專業之間的協作，才能實現結構設計的合理化。

2.房屋結構進行優化設計的措施

對房屋結構進行優化設計，其目的在于合理降低工程造價的成本費用，同時為房屋的落成后的總體經濟效益提供基礎條件，結合實踐設計經驗，筆者提出了以下三點優化措施。

2.1 選擇節能指標較高的結構類型

選擇不同的房屋結構形式，也就相當于選擇了不同工程造價的建設模式，最為常見的結構設計模式有如下三種：1）剪力墻結構，該種結構形式一般適用于高層建筑，是混凝土結構技術規程的進一步延伸。相較短肢剪力墻而言，該種結構形式擁有更高的抗震級別，另外，在構造鋼筋使用數量方面也較少；2）框架結構。不僅具有大開間的特點，而且具有布局靈活的優勢，還具有造價成本較低的優點，其缺點是抗震能力不強，由于柱截面較大，容易形成的柱角等凸出，給家具布置帶來了諸多不便；3）框架一剪力墻結構。該種結構是指將一定數量的剪力墻有機地融入到框架結構中。該種結構合理大方，具有較強的適用能力，可以承受各種不同的變形壓力，經實踐證明是一種抗側力較好的結構。

上述三種結構模式各具優缺點，所以，在選擇結構模式的過程中，不可以片面地認為所謂科學合理的方案指的是造價最低的方案，除此之外，應根據房屋業主的具體需求，還有建設單位的投資水平以及施工能力等各方面條件對結構類型的選用展開綜合分析，追求將投資與收益之間的最佳平衡，換而言之，以工程客觀條件為依據，選擇最為合適的結構模式。

2.2 結構設計信息優化技術

對房屋建筑結構進行設計的過程中，將會受到多種設計變量條件的影響，所以，采用單一的方法對結構優化進行優化，是很難做到的。考慮到房屋結構設計本身所具有的復雜性，需要研發一種既簡單又實用的參數定義優化軟件，從而減輕設計者進行結構優化時的工作壓力，以實現精力及時間的節省。目前，房屋結構優化領域較為常用的系統是TBCAD系統。該種系統是針對結構方案設計、建模、 分析以及評估等步驟為一體的成本控制軟件系統。該種系統能夠對結構方案設計進行一定的指導，幫助方案在實現人力、物力以及財力等各項資源的最優配置。系統的信息通常被分成兩個時間段進行優化，第一個時間段是通過對材料的分配調整，利用最少的混凝土用量以達到側向剛度的最低要求，該時間段中，系統的目標函數是混凝土的使用量，而結構構件的斷面大小則被視作設計的變量。 第二個時間段將會對構件的強度進行優化，通過對構件結構的斷面大小以及鋼用量的適當調整，只需要相對較少的結構造價便可實現構件的強度要求。

2.3 各種功能結構的優化設計內容

結構抗震的經濟化設計，通常針對高層房屋建筑展開。在高層建筑結構總體造價中，水平荷載結構造價占了非常大的一個比例，所以，在抗震結構設計中，造價控制的關鍵之處在于抗側力結構的設計。值得注意的是，當建筑物層高增加之后，抗側力結構的造價也會隨之增加。所以，應該針對抗側力結構展開優化設計，從而確保造價方面的優勢。上文已經對常見結構形式進行了一定闡述，雖然每種結構形式都具備一定的抗震性能，但所達到的經濟效果卻存在很大的差異。所以，設計人員對房屋結構進行設計時，應該深入了解并掌握各種結構模式的抗震性能以及經濟指標，既要把握好房屋的體型，也要把握好房屋的結構體系，還要把握好房屋的剛度分布等，針對抗震的薄弱環節展開一系列的抗震構造改善措施，盡可能地降低抗震結構設計的實際成本。

3.結構設計優化理論在房屋結構設計中的合理性評估

房屋建筑工程的設計方案，從總體角度分析，包括各種各樣、種類繁多的結構設計和布置。當房屋結構被確定之后，即便載荷相同，也仍舊有諸多不同類型的分析方案可供選擇。另外，在具體的分析過程中，不管是設計載荷、材料，還是參數的取值都有可能發生一定的變化。房屋建筑工程在細部處理方面也存在很多差異。上述這些問題僅僅憑借計算機設計優化是難以有效解決的，需要人工輔助分析，對各項設計及相關數據取值進行合理性的評估，當然在評估過程中，應遵循結構優化設計的內在規律，更為穩妥的做法是結合工程設計施工經驗有目的、有步驟地實施判斷。由此可見，概念優化設計具有兩層含義，一是設計師從若干備選方案中擇取最優，二是對既定的方案進行修飾美化[7]。

4.結語

結構設計優化是一個復雜而系統的工程，需要相關人員通力合作，采用正確的結構設計優化方法，并應用到具體實踐中去，從而最大限度體現結構優化的價值，提高結構安全度和抗震性的同時，有效降低工程造價。

參考文獻：

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