對建筑結構優化設計的探討

李連東 趙光超

摘要：目前，建筑在我們的城市建設當中所占的比例是越來越大，結構設計是其中極為重要的一個環節，通過優化設計手段進一步加深對結構優化設計中的重要性認識，創造合適的條件，確定合理的目標，采用科學的控制方法，各個方面達到最佳結合，降低工程的總造價。本文作者結合多年來的工作經驗，對建筑結構優化設計進行了研究，具有重要的參考意義。

關鍵詞：結構設計；優化技術；存在問題

一、建筑結構設計優化概述

對于現代的建筑來說，任何建筑物的設計都要包括建筑設計、結構設計、給排水設計、暖氣通風設計和電氣設計等。所有的設計都要遵循以下四步：方案設計—結構設計—構件設計—繪施工圖。建筑結構設計的基本要求，即是對建筑物結構的強度、剛度以及穩定性的設計計算和驗算，使其滿足各自對應的容許條件，從而保證建筑物結構的可靠性和安全性。建筑結構設計主要是指建筑基礎結構和上部結構。由于建筑工程所涉及到的內容非常豐富，建筑結構設計優化所包含的內容比較豐富，其中包括以下幾個方面的具體內容，第一，基本結構的總體和分部優化；第二，以建筑的基本功能要求和舒適性要求為基礎，對建筑結構的造價進行控制，也就是要對造價進行最優化設計。

之所以對建筑結構設計進行優化是因為優化設計能夠實現對有限的空間和資源進行充分利用，提高各種設備和材料的使用效率，相關研究統計數據顯示，建筑結構的優化設計與傳統設計相比能夠節省5%～33%的工程造價，因此，在建筑結構設計中要積極應用建筑結構優化設計技術，以推動建筑工程企業的常遠發展，實現資源的充分利用。

二、關于優化設計技術中存在的問題

1、重視結構尺寸，忽略結構整體

設計人員優化建筑方案時，通常根據已給的條件來規劃，以符合條件的構件截面要求，而忽略了整體結構的優化性。其實形狀的優化設計要比尺寸的優化重要得多，單純的尺寸優化不能滿足優化結構的需求。不少設計人員片面的認為結構方案和布置規劃經過計算機軟件對上部結構的分析后，一旦構件截面符合計算結構的規定，對于地基部分，特別是軟地基部分，上部結構重要性就變低了。所以設計人員一般對上部結構的構件截面沒有足夠的重視。

2、優化目標不能完全符合工程的需求

在實際優化設計過程中，時常伴隨著很多難題，因為工程設計工作中的約束條件較多、建筑功能的限制性較多、變量也多等一系列不確定因素，致使目標函數僅能獲取相對的最優解。當今利用計算機軟件來優化截面，僅僅幾次試驗根本無法實現預期效果。因此設計的進度與時機都限制了優化方法的實現。

3、離散變量問題

由于建筑物尺寸、型鋼規則型號、鋼筋等都是變量，如何獲取配筋和截面的最優解？如何同時滿足結構正常使用狀態和承載力極限狀態？如何考慮結構大震、中震、小震計算？傳統的梯度算法、對偶算法已經不能滿足當今的工程設計需要。當前隨著問題日益增多，引發了計算量劇增的組合性爆炸難題。

4、建筑結構設計與經濟成本之間的關聯

層數和建筑本身的成本有著非常緊密的關聯，由于層數變多了，為滿足抗震設防的要求，所選取的結構受力方式會發生改變以及構件的總體體量就會變大，而且相應所受到的地震力和結構的本身重量增加，導致豎向構件、基礎的配筋率變大。要是降低建筑總高度的話，就能夠節省物質，而且對于結構抗震來講也很有益處，對于建筑方面，也能縮小建筑之間的日照距離，取得節約用地的效果。在相同建筑面積時，建筑平面形狀不同，建筑的外墻周長系數也不相同。

三、結構設計優化技術在建筑結構設計中的應用

3.1 直覺優化技術與建筑結構設計對于同一建筑方案，可以有許多不同的結構布置設計；確定了結構布置的建筑物，即使在同種荷載情況下也存在不同的分析方法；分析過程中設計參數、材料、荷載的取值也不是惟一的：細微之處的處理更是不一樣的，此類內容經由電腦是無法有效的分辨的，要靠著工作者自己辨別。此項判斷必須在設計的常見規律的指引之下開展，其就是之前講到的概念設計內容。因此，概念設計存在于設計師對多種備選方案進行選擇的過程中。

3.2 概念設計處理的實際建筑設計問題該項設計要分析的內容非常多。人們都是希望能夠借助于該項設計，確保結構在各項力的干擾之下不受到影響，或是把這種影響降到最小。因此，分析如何應付建筑物可能遭遇的各種不確定因素成為概念設計的重要內容。其中，地震作用最為難以琢磨，破壞性也最大。故而，建筑設計過程中就應該未雨綢繆，從計算及構造等各個方面都要采取一些有助于提高抗震能力的措施，不利于抗震的作法則應盡量避免。剛度均勻、對稱是減小地震在結構中產生不利影響的重要手段；延性設計則能有效地防止結構在地震作用下發生脆性破壞；多道設防思想能使建筑在特大地震作用下次要的構件先破壞，消耗一部分地震能量。這些抗震設防思想在整個設計過程中都應該作為概念設計的重要指導思想。

四、如何對建筑結構的設計進行優化

1、關于建筑結構的規則性問題。新的建筑設計規則在這方面的內容出現了較大的變動，新規則在這方面增添了相當多的限制條件。因此，建筑結構工程師在遵循新規則的這些限制條件上必須嚴格注意，每一步設計都要按照規定去執行，以避免后期施工圖設計階段工作的被動。

由于針對建筑結構規則性問題應采取相應的優化結構設計措施有：結構設計始終要牢記“強柱弱梁、強剪弱彎、強壓若拉原則”，注意構件的延性性能；加強薄弱部位；注意鋼筋的錨固長度，尤其是鋼筋的執行段錨固長度；考慮溫度應力的影響力。

2、結構的超高關鍵問題。對于超高限建筑物，應當采取科學謹慎的態度。因為在地震力作用下，超高限建筑物的變形破壞性態會發生很大的變化。隨著建筑物高度的增加，許多影響因素將發生質變，即有些參數本身超出了現有規范的適宜范圍，如安全指標、延性要求、材料性能、荷載取值、力學模型選取等。因此，必須對結構的該項控制因素嚴格注意。

所以在優化設計時，針對抗震規范和超高規范，設計中應對結構的總高度有著嚴格的限制，尤其是新規范中針對以前的超高問題，除了將原來的限制高度設定為A級高度以為，增加了B級高度，處理措施與設計方法都有較大改變。在實際工程設計中，出現過由于結構類型的變更而忽略該問題，導致施工圖審查時未予通過，必須重新進行設計或需要開專家會議進行論證等工作的情況，對工程工期、造價等整體規劃的影響相當巨大。

結束語

對于任何的建筑來講，建筑是凝固的藝術，建筑師總是希望通過建筑物表達自己的設計意圖，力求藝術性和實用性的完美結合。在開展設計的時候，要在合乎其思想的前提下，保證平面的布局規整，降低質量和剛度中心間的不同。確保建筑體在橫向的受力性的干擾下不會存在很嚴重的扭轉反應。對于豎向的布局，要在合乎功能規定的背景之中，保證豎直方向的承重件是連通的。在可以不使用轉換層的時候就不用，以此來降低結構分析以及設計層次中的面對的一些不利現象。而且它還會使得應力聚集。要保證豎向的剛度是逐漸發展的，以此來防止應力聚集。其對于提升橫向的受力性來講益處非常多。

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