關于建筑結構設計優化方法的運用及重要性分析

金永剛

【摘要】隨著我國經濟建設事業的飛速發展，人們對于房屋結構設計的要求越來越高。結構設計優化技術運用于房屋結構設計中可以使設計效果達到最大的經濟合理性。近幾十年來，國內外工作者對房屋的結構進行了大量的優化設計工作，本文就結構設計優化技術以及其在房屋結構設計中的應用進行了簡要分析。

【關鍵詞】建筑結構設計；結構設計方法；優化方法；優化方法運用

結構設計優化方法的理論及意義

在從事工程項目和結構的設計時，除了要考慮設計對象的基本使用功能及安全可靠性外，還應該考慮到把它設計對象設計得盡可能完美。這就是工程和結構的最優化問題。用科學的語言來描述就是：利用確定的數學方法，在所有可能的設計方案的集合中，搜索到能夠滿足預定目標的、最令人滿意的方案。結構設計優化方法從建筑理論上分析，具體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兩方面。后者的優化設計包括：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。穿插其中的，還包含選型、布置、受力分析、造價分析等項目，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。

建筑結構設計優化技術在房屋結構設計中的應用，可以達到“物美價廉”的效果，不但實現了房屋的美觀、實用，而且在節省造價方面也有突出的效果。每一個建筑商都希望，在滿足建筑結構長遠效益的前提下，最大程度地減少建筑結構的近期投資，同時保證建筑物結構的可靠度和科學合理性。如此，才能實現可持續發展，實現更多、更大的市場收益。與傳統房屋結構設計相比，采用設計優化方法則可以使建筑工程造價降低6%～35%。優化方法的技術性實現，可以最合理的利用材料的性能，使建筑結構內部各單元得到最好的協調，并具有建筑規范所規定的安全度。同時，它還可為建筑整體性方案設計進行合理的決策，優化技術是實現建筑設計的“適用、經濟和安全”目標的有效途徑。

二、房屋建筑結構設計的基本方法介紹

1.結構平面圖

在繪制結構平面布置圖時，是否要輸入結構軟件進行建模呢？當建筑地處抗震設防烈度為6度區時，根據建筑抗震設計規范，是可以不用進行截面抗震驗算的，但必須符合有關的抗震措施要求。因此對于砌體結構來說可以不用在軟件中建模，直接設計即可，但設計中需要注意受壓和局部受壓的問題。當然，如果時間允許的情況下還是輸入建模較好，有一個便利就是可以利用軟件來進行荷載導算何樂而不為呢？需要注意的是，當建筑地處抗震設防烈度為7度及以上時是必須要輸入軟件建模計算的。

屋頂（面）結構圖

當建筑是坡屋面時，結構的處理方式有梁板式及折板式兩種。梁板式適用于建筑平面不規整，板跨度較大，屋面坡度及屋脊線轉折復雜的坡屋面。折板式適用于相反的條件。兩種形式的板均為偏心受拉構件。板配筋時應有部分或全部的板負筋拉通以抵抗拉力。板厚基于構造需要一般不宜小于120厚。此外梁板的折角處鋼筋的布置應有大樣示意圖。至于坡屋面板的平面畫法，通常使用剖面示意圖加大樣詳圖的表示方法，這樣更便于施工人員正確理解圖紙。正確繪圖和設計的關鍵是設計人員真正的心知肚明，結構設計者必須要具備一定的空間概念，正確理解建筑圖紙和意圖。設計的圖紙方能讓施工人員明白。由于屋面的起坡會造成閣樓層的部分墻體超高，要結合門窗頂設置圈梁來降低墻的計算高度。

大樣詳圖

在建筑詳圖的準確無誤的基礎上，大樣詳圖的繪制可在建筑詳圖的基礎上直接繪制，也可在以前做過的詳圖的基礎上來局部改進繪制。這階段需要注意在保持建筑外形的前提下盡量的使結構受力合理和施工方便。在標高和外形尺寸上一定要和建筑專業協調一致。

樓梯

樓梯梯板要注意撓度的控制，梯梁要注意的是梁下凈高要滿足建筑的要求，梯梁的位置盡量使上下樓層的位置統一。局部不合適處可以采用折板樓梯。折板樓梯鋼筋在內折角處要斷開分別錨固防止局部的應力集中。注意梁下的凈空要求，并要注意梯板寬度的問題。首段梯板的基礎應注意基礎的沉降問題，必要時應設梯梁。

基礎

基礎要注意混凝土的標號選擇應符合結構耐久性的要求。（通常情況下可采用C25）基礎的配筋應滿足最小配筋率的要求（施工圖審查中心重點審查部位）。條基交接部位的鋼筋設置應有詳圖或選用標準圖。條基交叉處的基底面積不可重復利用，應注意調整基礎寬度。局部墻體中有局部的較大荷載時也要調整基礎的寬度。基礎圖中的構造柱，當定位不明確時應給予準確定位。

結構優化設計技術在房屋建筑中的應用

結構設計優化技術需參與前期

房屋建筑項目的投資計劃在實際工程中的影響因素非常復雜繁多，前期方案確定的質量好壞會直接影響建筑項目的總投資成本，而就目前普遍存在的前期方案的確立問題就是在前期方案階段結構優化設計技術并不參與其中，相關設計人員在進行房屋建筑結構設計時往往會忽略或不考慮建筑結構的合理性和可行性，這樣的建筑結構設計結果會對結構設計造成直接的影響，在后續的結構設計工作中往往被增加了結構設計的困難度且在建筑項目總投資上增加了一定的成本。想象一下，如果在房屋建筑結構設計方案確定的初期，結構優化設計就能完全地參與其中，那么我們就能從容地針對不同的建筑類別要求，優化選擇合理地結構形式和設計方案，一定可以避免以上情況的發生。

同一建筑結構應設計多種方案布置

如果已經確定了建筑結構設計布置的建筑工程，也有在同種荷載情況下存在不同的分析辦法。在一般的分析過程中，對于設計的參數、設計的材料以及設計試驗承載能力的取值都不是只有一種取值情況。尤其是在處理一些建筑工程細部結構的設計問題時，還須面對計算機無法解決等情況，作為設計工作人員就不得不通過自身的判斷能力根據結構設計規范的規定內容與指導展開設計。因此可以看出，結構設計優化技術主要應用于沒有具體的數值量化的情況中，一般在采用概念設計方法的實際情況是可以通過有效數值作為一種輔助性和參考性的設計依據，以避免在設計過程中出現較大的誤差或偏差，并利于設計結果能夠達到最佳的效果。

3.優化設計后可承受不同載荷壓力

概念設計能夠處理的實際建筑工程結構設計問題是非常廣泛的，我們所期望的是能夠通過概念設計，房屋建筑工程結構能夠在遭遇各種不同外部荷載作用下不會受到嚴重破壞或能夠將破壞程度降到最低。因此，在分析如何能夠應對建筑工程在一定期間內所有可能遭遇的各宗不確定的破壞因素應該成為概念設計的一項重要內容。尤其是在擬建工程項目地區內的地震活動作用最難以捉摸清楚，且地震的破壞作用通常也非常大，所以在對房屋建筑結構設計工程中必須要了解到擬建工程所在地區內在一定歷史年限內的地震活動等一系列自然災害的發生情況，然后充分考慮到建筑工程結構設計一些有助于提高建筑整體結構抗震能力的措施辦法，而且應主要避免設計不利于抗震效果的結構做法。因此，在房屋建筑工程結構設計工程中必須要在整個設計過程中貫穿一種抗震設防的思想且以概念設計作為重點指導設計。

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