小議建筑結構設計優化方法的研究與應用

余承騁

中國建材國際工程集團有限公司 廣東深圳 518054

摘要：一個建筑要達到精美的效果，設計師需要把其美觀設計與結構設計緊密結合起來。實現建筑結構設計優化是一個復雜而系統的過程，通常被歸入綜合決策的范疇。在實際優化環節，既要考慮實用性和安全性，又要考慮經濟性，還應考慮整體效果，總之，要平衡各方面的關系。本文對建筑結構空間利用率的優化進行了重點探討，對建筑結構優化的理念進行了闡釋和延伸，希望能對類似工程建設提供一些借鑒和幫助。

關鍵詞：建筑結構設計；優化；方法；應用

1.建筑結構設計優化的內容及意義

建筑結構設計優化主要體現在兩個方面，一是對建筑工程總體結構進行優化設計，二是對建筑工程局部結構進行優化設計。其中，建筑工程局部結構的優化設計的對象主要包括以下幾點：1）基礎結構方案；2）屋蓋系統方案；3）圍護結構方案；4）結構細部等。對上述對象進行優化設計時，通常還會涉及選型、受力分析以及造價分析等諸多內容?？傊?，對建筑結構設計進行優化的過程中，不僅要嚴格依據設計規范執行，還應充分結合建筑工程的具體情況，最終提高建筑工程的綜合經濟效益。

建筑結構設計優化的意義主要在于兩點，一是提高建筑工程的安全性及可靠性，二是降低建筑工程的總造價。通過對比分析發現，建筑結構設計優化方法應用得當的情況下，能大幅降低建筑工程的總造價，最高可達30%。通過優化方法的有效應用，一方面能夠最大限度體現物質的性能，另一方面能夠為規劃的實際執行提供一系列有用的參考資料。

2.建筑結構設計優化方法的應用步驟

2.1建立結構設計優化模型

對建筑整體結構設計進行優化時，一般步驟如下：1）確定設計變量。所謂設計變量指的是可能會對建筑整體效果或者實用性產生影響的一系列參數，如目標控制函數（以整體建筑結構造價控制為代表），又或者約束控制參數（以整體建筑結構的可靠度控制為代表）等。在實際選取過程中，應對參數進行適當的精簡，不對那些相關性較小的參數進行研究，如此一來，能夠大幅降低模型的計算強度，同時有效減少編程的工作量；2）建立目標函數。目標函數主要包括兩大方面，一是建筑的整體效果，二是建筑的整體實用性。尋找一組有效參量。這組參量既要滿足建筑使用功能，又要符合既定的結構截面尺寸以及鋼筋截面積。從而保證求得的目標函數值達到最優；3）定義約束條件。通常，建筑結構的約束條件涉及諸多內容，既包括建筑的可靠度約束、強度約束，又包括應力變形約束，還包括裂縫寬度約束等。在具體設計環節，應保證加入約束條件的考量之后，實際結構設計滿足現行的設計規范，符合最優設計標準的相關要求。

2.2優化設計方案的選擇

通常情況下，有多種建筑結構設計優化方案可供選擇。進行選擇時，常常將基于可靠度的方案列為重點考慮對象。對該種方案進行實際計算時，既要面對關系錯綜復雜的多種變量，又要面對數量眾多的約束條件，再加上它們都屬于非線性問題，所以，在計算過程中，通常先要將其轉化為無約束條件的線性問題，然后求解。在上述一系列計算過程中，通常可以采用如下兩種優化計算方法：1）拉普拉斯算子法；2）復合形法。在選取具體算法的過程中，一方面要考慮算法的精度，另一方面要考慮算法的計算速率，總之，要對算法進行綜合而全面的考慮，從而選定一個最佳的算法。

2.3具體的程序設計

當確定具體的建筑結構設計優化方案之后，便會進入到具體的程序設計環節，即編制一個功能完備、運算速率良好、綜合效果優異的計算程序。程序設計將會涉及諸多內容，其中最為主要的包括兩大方面，一是工程指標的選取，二是建筑的功能需要。由于編程涉及廣泛且內容繁復，本文不對其進行詳細論述[6]。

2.4結果分析

對計算結果進行分析是一個十分關鍵的過程，關系到整個設計優化的成與敗，所以，在分析的過程中應保證考慮的全面性，主要包括以下幾個方面：1）建筑結構的成本；2）建筑結構的實用性；3）建筑結構的整體空間效果。建筑結構是一項復雜而系統的工程，再加上耗資較大，所以，在設計優化的過程中，應站在整體的角度進行分析，無論是片面追求資金的節省，還是片面追求建筑實用性的增加都是不對的?？偠灾褪菂f調好技術和經濟之間的關系，尋求二者之間的平衡，進而展開合理的優化[7]。

3.優化結構設計技術在實踐中的應用方法

在設計好優化結構設計方案后，就可以將該理論方法應用于實踐之中。結構設計的優化，是目前一個比較普遍的課題，要達到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，將結構設計優化方法應用于實踐之中，這是我們建筑工程設計人員所追求的目標。結構設計優化設計應用于項目的整體設計、前期設計，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，下面就這幾個方面進行詳細描述。

3.1參與結構設計優化的前期工作

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。

3.2將概念設計和細部結構設計進行優化

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。

3.3優化下部的地基基礎結構設計

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。

3.4建筑結構抗震概念設計

概念設計就是利用設計概念并以其為主線貫穿全部設計過程的設計方法，整個設計中包含著設計者的感性和理性思維。概念設計通過使建筑結構在遭遇到水平地震力作用下不會破壞，或者將對結構的破壞影響降到最低。因此對建筑結構的設計就要采取措施減小地震帶來的影響，減小地震產生影響的重要手段是需要結構剛度均勻和對稱，結構主體有足夠的延性，能夠有效地防止結構在地震作用下發生脆性破壞。同時多道設防思想又能使次要的構件在地震情況下先被破壞，從而使一部分地震能量得到消耗，在抗震設防中進行多道防線設計，能有效的抵抗地震力作用。

3.5提高材料的利用率。結構的效能設計主要考慮充分發揮結構材料的力學性能，有效的減少結構材料的消耗，達到“少費多用”的目的。各種高強材料（高強度鋼筋、高強度混凝土等等）和各種輕型材料（如輕骨料混凝土、輕型隔墻、輕型墻板）的合理利用可以有效的減輕建筑結構的自重，減小水平地震力的作用，減小基礎頂部荷載等等。

4.結語

結構優化設計不僅能夠提高建筑結構安全度和穩定性，同時能夠有效降低建筑工程建設成本，使建筑工程效益得到有效的提高。結構優化設計是在滿足規范要求、保證結構安全和建筑產品品質的前提下，通過合理的結構布置、科學的計算論證、適度的構造措施，充分發揮材料性能。總而言之，結構優化設計在當前競爭日益激烈的建筑設計市場成為大勢所趨。

參考文獻：

[1]北京市建筑設計院.建筑結構專業技術措施IM」.北京：中國建筑工業出版社，2011.

[2]杜明干.談結構優化設計的一些經驗[J].[J].2009-05-20