建筑結構設計中的優化策略

侯緒濤++孟艷艷

摘要：房屋建筑的安全性、適用性、美觀性始終是人們追求的。所以傳統的建筑設計在為了保證上述要求的前提下，通過犧牲經濟性、結構布置的均勻對稱性、來達到目的。在現代化的今天，由于社會經濟的快速發展，人們對住宅、辦公、醫院等建筑的使用要求有所提高，從而使建筑結構越來越復雜，使建設成本大大提高。

關鍵詞：建筑結構設計；優化方法；房屋結構設計

引言

筑結構優化設計是在保證業主使用功能的前提下，通過結構方案的優化、結構計算的優化、材料使用的優化等手段，使投資者用最少的錢得到較為合理的、較為經濟的建筑物。

1.結構方案的選擇

對于任何一個建筑都有很多建筑結構設計方案，選擇哪種設計方案是決定一個建筑是否經濟合理的成敗因素。所以，任何一個建筑物都應該選擇結構體系簡單，受力和傳力途徑簡單明了的方案。這樣不僅計算模型建立簡單，計算正確率也會比較高。

工程實例：本工程為除鹽水泵站，建筑分為兩部分：一部分為酸堿儲罐間，高度為5.500m；一部分為主車間高度9.600m，主車間女兒墻高0.6m，主車間還有一個地下水池深5.300m，抗震設防烈度7度，場地類別2類，圖示如下

實例分析：本設計原設計方案是，酸堿儲罐間磚混結構、主車間預制排架結構。但是由于磚混整體性及抗震性能差，墻的高厚比約束以及預制排架結構還需要現場制作預制柱等原因，故原設計方案改為了酸堿儲罐間和主車間均采用框架結構，兩者建筑之間設置伸縮縫的結構方案。從傳力的角度分析：板傳給次梁，次梁傳給主梁，主梁傳給柱子，柱子傳給基礎；傳力直接簡單，空間符合建筑使用要求且能使空間可變性增強；從結構布置角度分析：兩個建筑分離，使建筑平面布局避免結構的不規則布置，抗側力構件剛度布置均勻。能滿足建筑的功能性及后期使用功能擴展性有較大提高，抗側力構件布置均勻對稱，使結構經濟性有很大提高。

2.結構優化設計的步驟

對房屋結構整體進行必要的優化設計時候，可以分成三步進行建筑結構的設計優化。下面將對每一步驟進行詳細的介紹：

（1）建立結構模型

建筑模型建立時，應該在符合實際的前提下，除去次要構件簡化模型，使建筑模型即符合實際的受力狀況，又減少次要因素對于結構整體模型的失真影響。

（2）對結構安全性指標及經濟性指標進行合理的選擇

通常在對設計變量進行選擇時，我們把對建筑結構影響的主要參數作為設計變量。如目標控制的相關參數（損失的期望 C2 和結構的造價C1）和約束控制相關參數（結構的可靠度PS）等；然而還有一些影響不是太大，其變化范圍也不是很大或者由局部性以及結構的相關要求就能夠滿足相應的設計要求的一些參數，我們可以用預定參數來表示，這樣能夠使得我們的計算量均大大減小。

（3） 對目標函數進行確定

在進行結構設計優化的時候，我們應通過多次試算來尋找一組即能夠滿足現行規范標準的整體指標又能使結構構件截面尺寸、鋼筋面積等經濟性指標相關參數最小的一組作為目標模型進行計算，使得工程達到安全、適用、經濟、美觀的最終目的。

3.約束條件的確定

在房屋結構的優化設計過程中，必須在滿足結構可靠度的前提下，來確定優化設計過程中的約束條件。

優化設計中的約束條件主要包括裂縫寬度約束、結構強度約束、尺寸約束、構件單元約束、應力約束、結構體系約束、從可靠指標約束到確定性約束條件以及從正常使用極限狀態下的彈性約束到最終極限狀態的彈塑性約束等。

在進行結構設計的時候，我們必須對目標約束條件與實際的約束條件進行相應的比較與分析，再確保每個約束條件都必須滿足相關要求，以實現最佳的設計。

4.結果分析

我們必須對相應的計算結果進行必要的分析比較，這一步驟在建筑結構設計優化中尤其重要。合理的優化設計方案，不僅從設計的角度趨于合理，而且在施工技術方面也有更好的操作性。這樣就不會在施工方面增大施工投資。

5.結構優化設計的注意事項

（1）結構優化設計應注意初步方案的選定，初步設計方案應結合建筑類型、地質水文的情況、建筑高度等確定，他的確定直接會影響到工程的造價。所以我們應該注意，初步方案要全方位的考慮各方因素，來做到結構合理、功能齊全、經濟適用的結構形式。

（2）概念設計結合細部結構設計優化

在沒有具體數值量化的情況下，可以使用概念設計。例如，對地震的烈度進行設防時，由于它存在這不確定的因素，所以我們無法找到與實際相符合的計算式，所以在進行設計優化的時候我們可以使用概念設計的方法，把相應的數值作為參考與輔助相關的依據。同時在設計過程中，相關結構設計人員必須合理使用結構設計優化的方法，從而達到最佳的效果。在設計過程中必須對局部結構進行設計優化。

（3）下部地基基礎結構的設計優化

在地基基礎的結構設計優化中，我們必須選取合適的方案，如何選擇基礎類型，可通過下面的實例簡單闡述選擇基礎類型的條件。

例如上述工程“除鹽水泵站”由于工程有3米深的軟土，為此原設計主車間采用樁基，酸堿儲蓄間采用混凝土條形基礎。后來經過分析計算，可以把基礎作用在-4.000m的粉質粘土層上，地基承載力為130KPa可以承擔上部結構傳來的荷載，且粉質粘性土層下沒有軟弱下臥層。故基礎改為筏板基礎，從而光基礎方案的改動就節約投資20多萬。

由上述可知選擇基礎方案，可從以下幾個方面考慮

①上部結構體系的荷載大小及分布。

②地基承載力是否能滿足上部荷載要求。

③持力層以下軟弱下臥層對持力層承載力的影響是否滿足上部荷載要求。

除此上述條件外，還包括基礎總沉降量和差異沉降量的控制、地下水位及其防水要求、基礎施工給周邊現有建筑帶來的不利影響、不同的基礎形式對基礎造價的影響對比，來滿足基礎對于上部荷載的承載能力及更加經濟的基礎形式。

6.結束語

總而言之，房屋結構設計優化涉及的內容比較多，是一個復雜而綜合的技術篩選過程。在房屋結構設計中，耐用、舒適、美觀、安全是非常重要的指標，這些指標之間是互相聯系、相輔相成的，設計人員在進行設計的時候，一定要進行綜合考慮，確保房屋建筑功能的充分發揮，實現房屋建筑的經濟效益與社會效益，促進建筑行業的可持續發展。

參考文獻：

[1] 沈汝偉.對建筑結構優化設計的探討[J]. 煤炭技術，2011（ 04） ： 242- 243.

[2] 付建利.探討房屋建筑結構優化設計[J]. 中華民居，2012（ 19） ： 41-42.

作者信息：侯緒濤，身份證號碼370832198709193116.；孟艷艷，身份證號碼37083219851215034X.endprint