淺議結構設計優化技術的實踐應用

【摘要】房屋結構設計中建筑結構設計的優化就是最大程度上利用有限的資源和空間，以最低的工程造價，實現房屋安全性、經濟性、適用性和美觀性等的綜合最優化[1]。采用結構設計優化方法，在使房屋內部功能結構協調的同時，有效降低工程的造價。

【關鍵詞】房屋建筑；結構設計；常見問題；措施

前言：在房屋結構設計中，選擇最為合理、科學的建筑材料，在前期設計、下部地基基礎設計中應用最優設計方法，不僅能夠使建筑物實現審美價值與功能性的統一，同時能夠從整體上節省房屋工程建造成本，實現良好的經濟、社會效益，較好地迎合了當前科學發展觀、可持續發展理念的要求。

一、當前房屋建筑結構設計中的常見問題

1 樁間距過小樁間距過小，不滿足規范對樁的最小中心距的規定。特別是試樁、錨樁之間的間距，往往被設計人員忽視，這直接影響了試樁結果的正確性。

2 樁身鋼筋籠長度不足對擠土灌注樁，樁身鋼筋籠長度沒有穿越軟弱土層的層底深度，不能滿足樁基規范第4.1.1.2 條“對于沉管灌注樁，配筋長度不應小于軟弱土層層底深度”的規定，這也是工程設計中常見的問題。

3. 承重磚基礎采用多孔磚砌筑根據多孔磚墻體結構構造，地面以下或室內防潮層以下的基礎不得采用多孔磚砌筑。

4. 房屋高度、高寬比超過現行規范、規程的限值現行的規范、規程給出了房屋的最大適用高度和高寬比限值。某些高層建筑房屋高度超過最大適用高度或高寬比超出規定限值，甚至個別建筑高度和高寬比均超出規定限值。在結構設計過程中，對于房屋高度、高寬比和體型復雜程度超過現行規范、規程的高層建筑，應按超限高層建筑進行設計。

二.結構設計優化技術的實踐應用的注意點

1. 抗震設計時，當框架梁梁端縱向受拉鋼筋配筋率大于2%時，箍筋的最小直徑要求增大2mm。而不少設計人員容易遺忘。框架梁梁端上部負筋配筋量通常較大，需注意核算配筋率。當配筋率大于2%時，箍筋的最小直徑對抗震等級為一級的框架梁為12mm；對二、三級框架梁為10mm；對四級框架梁為8mm。

2. 在抗震設防地區，應注意遵循強柱弱梁、強剪弱彎、強節點強錨固的設計原則，以形成延性框架。在滿足承載能力極限狀態和正常使用極限狀態下考慮混凝土用量、主要鋼筋用量；梁鋼筋綜合考慮正、負鋼筋用量；合理的采用強柱弱梁的原則將有利于節約工程的費用；此外在有凈空高度要求的工程，柱加強了以后，梁高也可以相應的降低，樓層的凈空高度將得到加大；建筑的整體剛度也得到加強因此強柱弱梁在框架跨度較大結構中的經濟性與合理性是顯而易見的。

3.框架梁柱截面設計的注意點：柱的截面高度h=1/6H～1/12H，截面寬度b=1h～1.5h，其中H為房屋層高，也可按軸心受壓柱估算，考慮彎矩的影響，將軸力乘以1.2～1.4 的放大系數。框架主梁截面高度h=1/10L～1/14L，截面寬度b=1/2h～1/3h，其中L 為梁的計算跨度。可根據跨數、荷載、承重、非承重選取大者或小者， 一般可取h=1/12L，b 不宜小于200mm，也不宜小于1/4h。次梁的截面高度h=1/12L～1/16L，應比框架主梁高度至少小50mm， 次梁的截面最好比主梁寬度小50mm，一般可取200mm 或250mm，但不應小于150mm。

4.分階段優化與壽命優化。在限定時間內，每一個項目工程都有使用的期限，而且在每一個環節中，都可以設計出多種方案以供參考與挑選。也就是說，在每個階段，都可以對方案進行優化。因此，房屋建筑結構的設計人員可在確定優化方法的時候，可以將各個階段的性質作為依據，從而優化整體工程的壽命，并對建筑的施工質量予以保障，使得企業的經濟收益能夠有所增加。

5.局部優化與整體優化。復雜性與層次性是任何一個項目建筑設計都具備的兩大特點。從復雜性方面來看，其主要包括零部件的選取、建筑原材料的選取以及結構類型的選取等內容。從層次性方面來看，其主要包括建筑的結構體系、設計體系以及安裝設計體系等，而在每一個體系之內又包括了很多個下屬體系。在設計房屋建筑的時候，設計人員應該優化各個下屬的系統，沖破各個布局間的橫向關聯，對工程進行疊加。

6.選擇節能指標較高的結構類型。房屋結構形式的選擇，意味著選擇不同工程造價的建設模式，常見的結構設計模式有如下三種。（1）剪力墻結構，這種結構形式常見于高層建筑，以混凝土結構技術規程為依托，這種結構形式相對于框架結構安全等級要高。（2）框架結構，具有大開間、布局靈活性強和造價成本低的優點，但這種結構抗震能力弱，柱截面較大，形成的柱角凸出部位會妨礙家具的布置。（3）框架—剪力墻結構，即在框架結構中合理進行一定數量剪力墻的布置，這種結構合理，適用能力強，而且能夠應對各種不同的變形壓力，是一種抗側力較好的結構。以上的三種結構模式各具優缺點，但我們在選擇結構模式的時候，不能片面認為造價最低的方案就是最科學合理的方案，而是我們要結合房屋業主的功能需求，以及建設單位的投資水平和施工能力等方面的因素進行結構類型的綜合分析，將投資與收益進行平衡優化，根據工程條件的客觀實際情況選擇最為合適的結構模式。

7 結構優化設計模型

有關于結構設計上的優化方法，主要從在各種影響因素中，找出主要的變量參數，并以此建立函數模型，結合科學的方法，得出最優的答案。其模型的建立主要遵循以下步驟：一是對主要變量的選擇。在通常環境下，對變量的選擇，都是基于影響較大的因素。對工程中涉及到的所有參數，按照其重要性劃分出各個等級，先進性預定參數的制定，那些影響力小的都劃到預定參數中，以便減少編程中的工作量。二是確定其目標函數。運用函數計算，找出符合條件的答案。按照條件來確定最優方案。對于房屋結構設計優化中，在約束條件的選擇上，包含了很多的內容，比如要考慮應力的影響、裂縫寬度、尺寸和一級強度等，在正常條件下，極限狀態到最后的終極狀態，其彈性的約束力以及約束條件等，都要符合工程項目的設計以及施工的整體要求。

三 結構設計優化的現實意義

（1）優化設計，對于高層建筑以及多層建筑，多層相對于高層來說，在造價上以及占地面積上都有所降低。比如，屋蓋部分，一棟樓僅需要一個，和層數沒有關系。對于基礎，雖說是公用的，會因為層數的增加會因為承受力的加重而增加投資，但是，相對于整體造價，遠沒有房屋整體效果那么明顯。

（2）降低層數，不但可以節省物料，其抗震性能也會大大增強。此外，在對房屋平面形狀進行設計時，選擇圓形或者接近于方形的設計，其外圍的周長也會相應減少，在其基礎以及表面裝修上，都會相應減少。而同時，其受力性及其經濟性上，也會明顯增加。

結語：

隨著我國人口的不斷增長，一寸土地一寸金的情況在我國也一直持續著。土地價格的飛漲要求建設單位更加嚴格的控制建設成本，這也導致建筑行業的競爭越來越激烈，而優化房屋的結構設計是建設單位實現低投入高回報的有效途徑之一。此外，隨著對國民經濟實行的一系列宏觀調控，國家要求建筑設計單位進一步響應國家的四節一環保要求，在保證建筑外形美觀合理的情況下，提高建筑的使用舒適度。優化建筑設計結構，是每個建筑設計單位均需要面臨的問題之一，它是建筑企業實現與時俱進的重要體現。

參考文獻：

[1]張英迪.試析結構設計優化技術在房屋結構設計中的應用[J].科技與企業， 2012（ 22） .

[3]王也.建筑結構設計優化方法在房屋結構設計中的應用[J]. 中華民居，2013.