論述建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其優(yōu)化方法

【摘要】隨著經(jīng)濟的發(fā)展，城市規(guī)模的擴大，房屋建筑建設(shè)的數(shù)量也在不斷增加，要實現(xiàn)建筑經(jīng)濟性和適用性的目標就要對建筑結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，從而讓民用建筑房屋結(jié)構(gòu)更加合理。

【關(guān)鍵詞】結(jié)構(gòu)設(shè)計 優(yōu)化方法

改革開放以來，我國人民的經(jīng)濟收入得到了很大的提高，對生活各方面的追求也是越來越多。目前我國人民最大的問題就是住房問題，所以房屋建筑是大家最關(guān)注的話題。在房屋建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中，不僅要保證建筑內(nèi)部空間與結(jié)構(gòu)相互協(xié)調(diào)配合，而且還要保證房屋安全、實用，使房屋建筑從整體上更加的經(jīng)濟、美觀。由于房屋建筑與使用人員的生命財產(chǎn)安全息息相關(guān)，因此，設(shè)計人員必須要對房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化工作予以足夠的重視。

1房屋結(jié)構(gòu)整體設(shè)計優(yōu)化概述

房屋建筑物有很強的系統(tǒng)性，各種結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計也往往需要涉及多方面內(nèi)容，從宏觀的角度來看，對于房屋建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化可以大致分為整體結(jié)構(gòu)和局部結(jié)構(gòu)兩種，其中，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括以下內(nèi)容：（1）對房屋建筑的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化；（2）對房屋建筑的地上結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化；（3）對房屋建筑總體維護、細節(jié)架構(gòu)等系列問題進行優(yōu)化；

在明確房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化的目的基礎(chǔ)上，工作人員應(yīng)充分利用有限的空間資源，有效控制資金損耗，加強提高建筑材料和器械的使用效率，讓房屋建筑更加安全可靠。根據(jù)以往的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，通過房屋建筑設(shè)計優(yōu)化之后，工程損耗可以降低5%～30%左右，因此，在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計當中，對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化無疑具有非常顯著的社會與經(jīng)濟效益，只有采取積極主動的優(yōu)化態(tài)度，才能讓房屋建筑可以更加的經(jīng)濟、實用，使有限的資源的使用效益實現(xiàn)最大化轉(zhuǎn)變。

2建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的作用

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，首先需要解決的問題就是建筑結(jié)構(gòu)如何滿足效益的長遠化及安全性，在這個問題得到有效解決的基礎(chǔ)上，再對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性與經(jīng)濟性做到盡可能的優(yōu)化。與傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計理念相比，當前所采用的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方法在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的有效應(yīng)用，能夠有效降低工程成本，一般能達到10%到35%的效果。其次建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法的應(yīng)用，還能夠做到對建筑材料有效性與利用率的最大程度發(fā)揮，能夠讓建筑物的各個空間與整體能夠達到相互協(xié)調(diào)的效果，并能夠滿足質(zhì)量安全管理規(guī)范的要求。另外，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方案的應(yīng)用，還能夠?qū)ㄖ锏脑仍O(shè)計起到完善的作用。所以，建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計起到重要的作用。

3建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的特點和要求

在進行建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的時候，不僅需要對設(shè)計對象的基本功能與安全穩(wěn)定性進行考慮，還需要通過設(shè)計，使建筑結(jié)構(gòu)達到盡可能完美的效果，而這一過程的實現(xiàn)，就是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的最優(yōu)化問題。建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法主要體現(xiàn)在建筑總體工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化和建筑各個部分的設(shè)計優(yōu)化兩個方面。對于項目整體設(shè)計、項目前期設(shè)計、抗震設(shè)計和舊房改造都可以采用結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法。在實踐應(yīng)用中，應(yīng)在前期就開始參與結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化工作，對下部地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化時，要分析比較多種設(shè)計方案，然后選取最佳并可行的設(shè)計方案。在設(shè)計過程中，應(yīng)靈活運用各種計算模塊方法，對于結(jié)構(gòu)設(shè)計、圍護方案、房屋建設(shè)、結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)方案等一系列優(yōu)化設(shè)計合理分析，對細部結(jié)構(gòu)進行設(shè)計優(yōu)化，以取得最佳的效果。當無法對數(shù)據(jù)具體量化時，可使用概念設(shè)計及新材料應(yīng)用來攻關(guān)。

4建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案優(yōu)化的主要內(nèi)容

4.1建筑物結(jié)構(gòu)周期性的折減系數(shù)

對建筑物的框架結(jié)構(gòu)和頂蓋等結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，計算周期一般會比實際周期大，因為在施工時，由于填充墻體的存在，會導致結(jié)構(gòu)的實際表現(xiàn)剛度大于設(shè)計剛度。所以一旦計算出建筑物的結(jié)構(gòu)剪力偏小，會導致建筑物的部分結(jié)構(gòu)安全性能降低，這時候就需要對建筑物的結(jié)構(gòu)進行適當?shù)闹芷谛哉蹨p計算。但對于建筑物的框架結(jié)構(gòu)是不適合進行折減計算或把折減系數(shù)取小的。

4.2優(yōu)化建筑物耐久性設(shè)計

在很多混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計中都沒有全面、綜合地考慮到建筑物的耐久性，從而導致有許多建筑設(shè)計都未能達到當初的設(shè)計目標。當建筑物的設(shè)計者遇到建筑物的其他使用功能要求或是施工技術(shù)指標上升為設(shè)計建筑物的主要矛盾時，設(shè)計師就要放棄建筑物對經(jīng)濟的單純追求，這時候往往需要根據(jù)建筑物設(shè)計所需要解決的重要性問題，挑選出適合的目標來進行優(yōu)化，才能達到滿意的優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的效果和目的。

5住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的方法

5.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型的建立

在進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的過程中首要的問題是要根據(jù)實際的結(jié)構(gòu)特性設(shè)定成為相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，主要是有目標控制參數(shù)和約束控制參數(shù)。對于那些變化范圍比較小的，且在結(jié)構(gòu)的局部加強就能滿足要求的部分參數(shù)，將其確定為預(yù)設(shè)參數(shù)，從而減少計算的工作量；對于目標函數(shù)，是要找到一組可以滿足預(yù)定條件的鋼筋截面積和梁、柱截面的幾何尺寸，目的是要讓總造價降低。對于約束控制函數(shù)，包括前度和穩(wěn)定約束、截面尺寸約束、結(jié)構(gòu)整體約束、構(gòu)建單元約束、正常使用狀態(tài)的上下限約束條件等。參數(shù)的設(shè)計必須要與實際情況和符合規(guī)范。

5.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的計算方法

在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計計算方案的確定上，應(yīng)考慮到建筑結(jié)構(gòu)的復雜性帶來的變量多、約束條件多且非線性，因此在計算過程中，一般的做法是先將有約束的優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為無約束條件再進行求解，可選用的計算方有拉式乘子法、復合形法等。結(jié)構(gòu)選型、尺寸和參數(shù)設(shè)計完成后，在計算方案的基礎(chǔ)上設(shè)計優(yōu)式程序。并在得到計算結(jié)果后，對結(jié)構(gòu)進行綜合分析，最后確定最合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案。

6住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的應(yīng)用分析

6.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的前期參與

建筑是相對長期的投資，常見的建筑物合理使用年限均在50～100年間，這就要求結(jié)構(gòu)能夠保證在設(shè)計使用年限內(nèi)，建筑能夠保持基本的使用功能、良好的空間環(huán)境。因此，要在建筑方案設(shè)計初期就應(yīng)加入結(jié)構(gòu)優(yōu)化的考慮。這樣可以有效避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)不合理、工程造價高等問題。也就是說，在建筑方案的設(shè)計初期就加入結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，是提高建筑材料及結(jié)構(gòu)合理性利用率的有效方法。

6.2結(jié)構(gòu)的概念優(yōu)化設(shè)計

一幢建筑物的完成，可以有不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案；另外，對于同一種結(jié)構(gòu)布置方案，采用不同的結(jié)構(gòu)荷載、材料和分析方法，參數(shù)的取值也是有較大區(qū)別的。這些是通過計算機無法實現(xiàn)的，需要結(jié)構(gòu)設(shè)計人員作出合理的選擇，根據(jù)工程實踐經(jīng)驗來進行參數(shù)的確定。通過概念優(yōu)化設(shè)計，可以預(yù)算建筑結(jié)構(gòu)在各種外力荷載的作用下的內(nèi)力分布，以及將所有不利的荷載集中加載時可能出現(xiàn)的破壞形式等，如建筑結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的破壞情況等，得到預(yù)算結(jié)果后，就可以作為結(jié)構(gòu)設(shè)計的有利參考資料，采取有效的結(jié)構(gòu)方案，選用有利的建筑材料和結(jié)構(gòu)形式，從而降低剛度不均勻、結(jié)構(gòu)的不對稱等對抗震不利的結(jié)構(gòu)設(shè)計。因此，結(jié)構(gòu)的概念優(yōu)化設(shè)計在抗擊自然災(zāi)害發(fā)生時，顯得尤為的重要。

7結(jié)語

在建筑工程設(shè)計過程中，需要遵循美觀、適用、經(jīng)濟、安全及便于施工這五項原則。這五個方面既有所重合，又存在矛盾，而最佳的設(shè)計是將這五方面做到有效的結(jié)合。因此在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計過程中，需要我們通過不斷地實踐、探索，從而用最低的成本創(chuàng)造最大的經(jīng)濟效

益，達到經(jīng)濟、適用、美觀、合理的要求。

參考文獻

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