淺談住宅建筑結構設計中的優化技術

【摘要】優化產品和降低結構成本最有效的方法是優化結構設計，需要開發和應用新的優化技術。本文簡要介紹了建筑結構設計中的基本理論，列舉了優化技術的應用領域與價值，重點論述了設計優化階段與方法。

【關鍵詞】住宅建筑，結構設計，優化技術

1引言

隨著人們物質享受方面所要求的質量標準日益苛刻，對居住房屋的質量、風格和裝飾的要求也越來越高的同時，也給建筑相關的各種技術與產品提出了更高更新的標準。因此開發商面對房地產成本不斷上漲，必須找到合理和恰當的方式開發和制造高質量的建筑產品，以滿足社會發展和人們追求不斷增長的高要求，而前提是必須降低建筑工程的成本，也是有效的出路。在結構設計中優化設計技術，合理配置和利用建筑資源并提高資源利用率與建筑效率，成為降低成本有效和必要的手段。成本預算中的結構成本占據了房屋建造和建筑總成本的很大一部分，要削減和優化這一部分預算，就必須優化與改造結構設計的技術和方法，從而有效降低建筑工程成本開支，使建筑資源達到最優配置和利用，就需要我們不斷研發和建改造筑結構設計優化方法[1]。

2 基本理論

將內部復雜的建筑物的各個部分結構完美組合在一起并使其發揮各自最佳的效用，是一件需要扎實理論知識和優異建筑素養的工作。建筑結構設計優化過程中，必須要改革或突破設計理念，篩選出科學、先進的設計應用方案和在各方面都能達到最佳效果的設計方法，具體包括建筑物中整體結構和分部結構設計的優化，其中作為各分部結構的綜合的建筑物整體結構的優化在完善房屋功能方面發揮著更大的作用，具體包括房屋頂部設計優化、外圍設計優化以及房屋細節結構設計優化，還可以細分為型號選擇、布局設置、受力研究、價格衡量等較小的設計項目[2]。具體而言，第一，應選擇盡量平整的房屋平面結構，盡量減小平面建造質量與房屋剛性結構需求之間的差異，使得房屋在承受較大水平力作用、不發生結構性扭曲的同時體現建筑物對稱美；第二，在滿足消費者使用要求的基礎上，加強房屋豎直方向承壓能力，比如可將建筑承重結構設計成豎直貫通的形式；第三，盡量避免更換房屋原有的轉換結構，既防止外來壓力集中于某一固定承受點，同時避免消耗大量的建筑材料；第四，設計豎直方向遵循漸變規律的剛性強度，避免角度突變部位在受到強烈的水平壓力時而發生對房屋整體抗壓性能不利的剛性結構角度的突然改變。

3應用領域及實踐價值

3.1 結構設計優化方法的應用領域

結構設計優化方法和技術的應用在于采用合理的設計理念和方法，來確定適當的結構形式、布置以及具體的構件設計尺寸。概括而言房屋工程的分部結構優化包含如下幾點：基礎結構方案、屋蓋系統方案、圍護結構方案和結構細部設計的優化設計。結構整體布局的因素包括建筑物的體型特征、柱網尺寸、層高以及抗側力構件的位置等，而具體構件因素主要包括結構布置、構件截面、混凝土和鋼筋強度等級及配筋構造等。必須綜合考慮與分析這兩方面的內容與實際要求。更具體細節包括選型、受力分析以及造價評估、布置等各項內容，還應結合具體的工程實際，在符合設計規范以及使用要求等前提下，開展綜合效益優化。

3.2 結構設計優化方法的實踐價值

使整體建筑方案設計和決策趨于合理化，讓建筑設計完美地實現經濟、適用以及安全的目的，首先就需要不斷的優化技術。含有設計技巧的優化技術，其目標就是最大程度減少近期的各項結構投資、提高結構的合理性及可靠性、充分挖掘利用建筑原料和材料效能、協調和保證建筑結構的內部單元互為配合與支持和建立建筑規范安全指標并保護居民生命與財產安全。另外，采用建筑結構設計優化技術，不僅能夠實現房屋與建筑物的美學價值、實際效用和經濟價值，還可節約建筑成本、保護施工周圍生態環境。與舊式粗礦的建筑結構設計和施工方式相比，優化方案可使房屋建造的成本降低三成左右。

4 優化技術與措施

4.1直覺優化（概念設計優化）技術

根據工程實踐的實際經驗，在一般規律指導下對結構設計的相關內容作出判斷，即是概念設計，其存在于建筑設計師對多種備選方案的選擇過程中。計算機模擬設計有許多無法解決的問題，需要設計人員根據技術知識和實踐經驗作出考量，如同一建筑方案不同的結構布置設計的評估；確定建筑物的結構布置后不同的分析方法（即使在同種荷載情況下）的選擇；設計參數、材料、荷載取值各種變化的拿捏和建筑物細部問題的處理等等。通過概念設計，可保證建筑結構在各種非正常外力作用下所受破壞損失最小，或不受破壞。因此概念設計的一個重要課題是分析和應付建筑物可能遭遇的所有不確定因素與外力，如破壞性最大且難以預期和琢磨的地震作用，鑒于此，一些預防和抗震的措施和思想應該作為概念設計的指導思想，如增加剛度均勻、對稱的結構、考慮延性設計而避免發生脆性破壞和逐步消耗地震能量的多道設防思想。

4.2 設計結構模型優化

住宅建筑結構設計優化中的房屋整體設計優化細分為三個過程，第一階段是變量的選擇，主要涵蓋對設計人員決定最終設計方案起到重要作用的那些數值，在設計過程中都是可以選擇優化的對象，例如包括房屋價格和預期產生的損失等參數的工程目標參數和包括房屋架構可靠性參數的工程的控制與約束參數[3]。設計者在優化過程中可將變化幅度較小或者涉及因素較少的參數作為參考指標，從而更快找到符合設計目標的那一組數據，同時也會降低建筑結構設計、編程和計算等工作的難度，達到同步優化設計；第二階段是函數的確定與優化，該階段中設計者要根據事先設定的房屋橫截面尺寸和鋼筋尺寸面積，從眾多相似函數中，選取并分析分析符合設定的一組優化函數，從而在最大程度上地降低房屋造價；第三階段是基于增強房屋結構穩定性和耐用性的約束條件衡量與選擇，設計者應該在分析比較施工實際中的約束性條件和目標確定的約束性條件后，評估包括房屋尺寸、架構穩定性、架構剛性、受力限度和變形限度、墻體裂隙限度、單元組件規格、架構體系規格、結構可塑程度、結構確定程度等一系列設計約束指標，以實現設計結果達到最優。

總而言之，結構設計優化就是在各種相關變量中選擇主要與重要的參數，建立函數模型和設定符合條件后運用科學合理的方法得出最優解。

4.3 計算方法選擇優化

有很多變化和限制因素的結構設計優化對應著特殊的計算方法，所以在計算中，需要采用乘子法、符合型法、Powell等方法把限制因素轉化為無限制化，經過運算方法的編程計算，便可方便、精準和科學得到最優的數據與結論，分析比較從而對計算方法得到優化[4]。

4.4 選擇最優程序

基于結構優化模型優化設計計算方法，編制功能完整、運轉高效和用途齊全的的最優程序，是由若干小程序組合的在結構設計上發揮著重要作用的綜合程序。

4.5 數據反饋方案優化

認真統計與分析計算數據與結果，可衡量確定一種優化方案，其中既要平衡各方利益關系，避免片面追求效益和利潤，又應當避免片面追求技術創新，妥善處理經濟效益與工程技術含量的關系。

5 結論

結構設計人員需要利用概念設計和各種優化設計方法，使高效精細化的設計發揮優化設計的效果。

參考文獻

[1] 結構優化設計的現狀與進展[J].基建優化，2007： 12-13.

[2] 孫國正.優化設計及應用[M].北京：人民交通出版社， 2004.

[3] 江歡成.優化設計的探索和實踐[J].建筑結構， 2006， 36（6）：1-24.

[4] 劉慶貴.試論房屋建筑結構設計中應用優化技術[J].現代商貿工業，2013.