建筑結構設計優化方法在房屋結構設計中的應用

喻華

海口市城市規劃設計研究院廈門分院（361000）

建筑結構設計優化方法在房屋結構設計中的應用

喻華

海口市城市規劃設計研究院廈門分院（361000）

結構設計所需要的資金在整個房屋建筑建設過程所占比例較大，為了確保房屋建筑的質量，減少結構設計資金投入，提高建筑的功能性，可以通過優化房屋結構設計實現。在房屋結構設計優化時，既要考慮各種變量參數進行數學模型的建立，又要結合房屋建筑工程的具體要求不斷演算、核定、優化，選擇最佳的設計方案。關鍵詞：建筑結構設計；房屋結構設計；優化方法

0 引言

社會經濟的飛速發展加劇了建筑行業的內部競爭，而隨著國民經濟水平的不斷提高，民眾對于建筑物美觀性和經濟性方面的要求也不斷提高。要在保證建筑工程質量，強調建筑功能合理、美觀實用的同時，最大限度地節約建筑成本，獲取最大經濟效益，設計人員就必須采取適當的方法對房屋結構設計進行不斷優化和改進。

1 房屋建筑結構設計優化理念

1.1 房屋建筑結構設計優化方向

在房屋結構設計中應用結構設計優化技術，應著眼于建筑的安全性、適用性、經濟性、環保性。

房屋結構設計優化并不是一味強調節約材料和成本，而是必須在確保建筑設計達標、建筑物足夠安全的前提下，對結構設計進行專業論證，通過改進設計使得房屋設計更加完善。實用性也是結構設計優化的主要方向之一。經過優化設計后的房屋建筑，不僅在品質方面更加優秀，也更能滿足使用者的實際需求。人們環保意識不斷增強，在設計過程中，應該多選用綠色環保材料，減少甲醛等有害物質的產生。

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.2房屋建筑結構設計優化理念的意義

在房屋結構設計中運用建筑結構設計優化技術，有助于在確保建筑工程質量的同時提高建筑企業經濟效益。企業要在激烈的市場經濟中占有一席之地，就必須在滿足建筑企業長遠效益的同時，盡最大可能減少在建筑結構方面的投資。與傳統建筑結構設計相比，采用建筑結構設計優化方法可以降低6%～35%的工程造價，從而實現縮短工期、節約投資、保證質量的目標。

我國現階段的房屋建筑，以高層和超高層為主。如果能夠在房屋建筑結構設計階段，充分考慮并發揮建筑材料的性能和建筑施工技術的優勢，將有助于建筑材料性能和建筑結構各單位之間的協調，在提升建筑結構的安全性和功能性方面，較之傳統建筑結構設計更具優勢。因此，建筑企業逐漸開始重視對建筑結構設計進行優化。

1.3 建筑結構設計優化的方法原則

建筑結構設計優化的目的是要使設計出來的建筑結構滿足建筑企業對成本和質量的要求，同時滿足社會大眾的現代化建筑的需求。現代人們對于住房的要求除了需要滿足日常基本生活功能外，更加重視居住環境的舒適程度。因此，房屋建筑結構優化設計，必須符合社會大眾和建筑企業的需求，將安全、舒適和環保放在第一位，使用戶能夠放心的長期居住；同時，要最大程度上優化建筑材料、項目資源的分配，為建筑企業節約建設成本。

房屋建筑結構設計師在優化結構設計時，要在前期經驗的基礎上，不斷引進新的技術，并對房屋結構和設計思路進行大膽創新，使設計出來的建筑結構作品更具實用性,以滿足使用者對房屋功能、房屋品質的需求。

2 房屋結構設計的優化方法

2.1 結構優化模型分析

構建優化模型，首先要科學合理地選擇對建筑結構產生影響的關鍵性參數作為變量；結構造價、相對可靠性等參數既是目標參數，又是建筑約束控制參數，需進行嚴格控制；而變化范圍小、影響不大的要素，滿足部分設計參數即可。

為了盡可能的降低工程造價，結構優化數學模型中的目標函數需要考慮鋼筋的截面積，滿足條件的截面的幾何尺寸及已失效的概率函數。而優化設計約束條件的確立，必須在保證結構可靠度的前提下，通過對建筑結構強度、應力、尺寸、構建單元等約束條件的科學優化來進行相對應的確定。此外，為了實現最佳的設計效果，需要對目標約束條件和實際約束條件進行綜合比較分析，以確保每個約束條件都滿足房屋建筑工程整體施工要求。

2.2 設定優化的設計計算

在房屋結構設計優化中，結構的整體布置至關重要。不合理的建筑結構布置，將對房屋建筑的安全性、實用性、經濟性等方面產生嚴重影響。在進行結構設計優化時，設計師需要對結構設計效果和作用產生影響的結構造價、應力約束、彈性約束、結構安全穩定度等元素作為變量，建立數學模型，通過確定約束條件計算出房屋整體模型的控制參數和目標，以科學地數學知識計算并得出最優結構。在組合、帶入、計算過程中，會涉及到大量數學知識，這就需要設計師在程序設計時，能夠綜合考慮結構優化模式和變量元素，通過計算和驗證找出設計中存在的問題，并及時改進設計方案。在具體實踐中，設計師通常采用預訂式參數的方式,盡量減少設計、計算、編程等環節的工作量，在提高工作效率的同時，確保房屋建筑整體結構設計的完整性。在房屋結構設計優化中,多采用拉氏乘子法、Powell算法等計算方法。

2.3 結構優化的合理統計結論應用

當計算出函數模型結果后，需對其必要性進行分析，并在分析的基礎上選擇最佳設計方案。在具體分析的過程中，設計師需要全面考慮設計施工過程中可能存在的隱患，從安全性、實用性和美觀性出發選擇科學合理的設計方案，以保證建筑工程質量。在結構設計優化中，要綜合考慮建筑技術要求和資金投入，不能片面強調其中某一項，否則將對整個建筑工程質量和建筑的經濟效益、社會效益的實現產生嚴重影響。

3 房屋結構設計的結構優化應用分析

3.1 結構類型的節能優先應用分析

對房屋結構進行優化設計的目的就是在確保工程質量的前提下，降低工程造價，提高經濟效益。為此，需要從節能角度出發，優化選擇節能系數較高的設計方案。房屋結構一般有框架結構、剪力墻結構、框剪結構三種。框架結構柱截面較大，對房屋內部布局設計影響較大；剪力墻結構所選擇材料較少，抗震性能較好；框剪結構則綜合二者性能，既具有較強的綜合適應能力，又具有較好的抗震和抗側力性能。在選擇結構類型時，應綜合考慮房屋建筑工程質量安全和經濟效益，綜合考量三種結構的優缺點，選擇最佳的結構設計方案。

此外，設計師可以以建筑總能耗構建適應度目標函數，采用遺傳算法的自動反向尋找最優解的計算模型對建筑結構設計進行優化，從而計算出滿足節能要求的空間幾何、照明取暖系統、能耗性能等參數的最佳組合。

3.2 信息技術應用

當前,信息技術與建筑工程的融合越來越多。在工程建模和數據分析等環節，雖然不同項目會采取不同的設計優化方案，但往往都需要通過信息技術來獲取并分析房屋建筑工程中的各項參數，從而建立起房屋結構模型。技術人員通過模型能夠直觀地掌握各種參數并對結構穩定性進行分析，從而選定合理的設計方案，更好地控制房屋建筑結構的整體性能。隨著信息技術的發展，在未來的建筑工程結構設計優化中，信息技術的運用將越來越廣泛。

3.3 結構與建筑優化

結構荷載、基礎拉梁結構、剪力墻結構、鋼筋混泥土結構是房屋結構優化設計的主要內容。在房屋結構荷載的設計上，設計師需要充分考慮周邊地質情況、地基受荷載情況，并結合氣候等條件對其基礎結構進行設計。基礎拉梁的結構，不僅需要考慮地質情況和氣候條件，更需要結合建筑高度和層數的要求綜合考慮建筑整體防震性和穩固性，并綜合計算基礎拉梁和基礎樁基的配筋率，確保拉梁和樁基的一致。在剪力墻和鋼筋混凝土結構的設計上，需要事先分別對建筑結構整體的受力情況和建筑中各部件的受力情況進行演算,通過不斷核定、優化每個單元截面上的受力，得出最合適、最穩定的房屋整體結構優化設計方案。

4 總結

在房屋結構中運用設計優化方法的主要目的是為了在保證工程質量的前提下,降低工程造價，從而創造最大的經濟效益。在房屋結構設計優化時，不僅要選擇科學、合理的變量參數建立數學模型進行計算、分析，更要以安全、節能為目標，對房屋建筑結構和能耗進行優化，從而實現房屋建筑功能性與審美價值的統一、經濟性和質量安全的統一。

[1]張雷.淺論建筑結構設計優化方法在房屋結構設計中的應用探討[J].工程技術(引文版),2017(1)：277.