土建工程結構設計的優化技術研究

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0 前言

相較于傳統類型的房屋結構設計，應用優化技術能夠有效降低建筑工程項目的整體造價，從而將工程材料的性能最大化發揮出來，協調好各個環節與工程單元之間的關系，同時全面提高土建工程的安全等級。除此之外，優化技術還有利于為工程管理決策的制定提供合理建議，從而確保“經濟、適用、安全”目標的順利達成。

1 結構優化設計現狀分析

結構優化所指的即為，在充分滿足相關政策與法律制度的基礎之上，結合土建工程建筑的實際特點和具體要求，有針對性的選擇工程結構與工程體系，搭配先進且精確的計算機模型、校核以及應力分析等，制定出詳細且有效的設計方案，以此來達到降低工程造價、提高工程安全等級的管理目的。

從結構設計優化的難易程度角度分析，大致可將其分為尺寸優化、形狀優化、拓撲優化、布局優化以及類型優化這幾個方面。在我國的土建工程領域中，結構設計優化的發展仍然存在著很多弊端，主要原因有如下幾個方面：首先，在我國現有的法律制度中，有關于土建工程結構設計的要求尚未明確，設計人員在具體的工作中缺少標準參考，從而影響到最終結果；其次，大多設計人員只能夠做到掌握最基本的結構設計理論與淺顯的優化技術，實踐能力較弱；最后，在此方面缺少充足經驗，在具體的設計實踐當中存在著非常多的變數和約束條件，從而大大增加了目標函數的建立難度，無法全方位的滿足土建工程項目的實際需求。

2 土建工程結構設計的優化方法

2.1 數學規劃法

數學規劃法所指的即為，基于結構力學的基本原理，針對土建工程結構設計進行優化的一種規劃方式，同時采用優選法等來尋找出最優解。在通常情況下，數學規劃法比較常用于對非線性規劃問題的處理，并且隨著實踐經驗的不斷增多，也衍生出了適用性更強的算法，不僅具有著更好的通用性，而且所參考的理論基礎也更為全面，通過合理化運用能夠有效提高最優解的準確性。需要注意的是，在土建工程結構設計中，針對特定結構來展開優化設計，仍然需要根據實際情況來展開具體分析，結合實際條件來有針對性的選擇優化方法。

2.2 優化準則法

優化準則法所指的即為，從土建工程為實際出發點，在開展優化設計時應當優先對設計準則展開研究的一種方法，具體表現為能量準則與滿應力準則等等。優化準則法能夠運用迭代法來針對所需要的準則的解來展開更準確的求解，因此需要有大量的實踐經驗來作為支撐。在設計中，應優先展開理論研究，以此來得到最準確的判斷，確保設計結果能夠接近最優狀態，因此可以將其解讀為是一種有效工程方法。

相較于其他方法來看，優化準則法具有著收斂快的特點，所運用到的工作原理也更加的簡單明了，因此實現成功率較高。其中，滿應力準則是最早出現的準則之一，利用此種方式能夠將工程材料的強度潛力最大化的發揮出來。除此之外，準則法還能夠被應用到對彈性穩定、為位移以及自振頻率等問題的處理上，設計人員可根據 Kuhn-Tucker條件來計算出準則方程式。不得不提的是，優化準則法在應用的過程中也存在著一些弊端，由于此種方式更加適用于已經確定了土建結構與幾何形式的工程設計中，因此在實踐操作中會受到諸多客觀條件的束縛，大大降低了優化準則法的作用發揮。設計人員要對實際情況和已有條件展開綜合考量，如若存在著變量關系非常負責的情況，那么應當慎用此種方法。

3 優化技術在土建結構設計中的應用建議

3.1 土建結構設計與概念設計優化

土建工程結構的設計方案需要有多重結構與布局設計選擇，在實踐中，即使建筑物的結構布局已經確定好，所處的荷載狀況也完全一致，那么同樣也是有很多不同的分析方法可供選擇。由于在分析中所能夠運用到的材料、參數以及荷載取值等均不是一成不變的，因此在對一些細節問題進行處理時也要做到隨機應變，尤其是對于那些無法運用計算機軟件來解決的問題，則需要由設計人員根據實際情況來展開全方位的分析，最終給出準確的判斷。

概念設計的核心之處就在于，根據房屋結構設計的規律和原則，同時按照土建工程項目的以往經驗來展開更進一步的研究設計，從而提供出多種不同的備選方案。

3.2 房屋結構設計與概念設計處理

對房屋結構的概念設計問題處理同樣有多種形式可供選擇，但卻具有著相同的目標，即為無論外界有何種不良因素的影響和干擾，建筑結構都可以達到穩固狀態，并將損害降到最低。不難看出，有關于房屋結構概念設計的處理，需要優先考慮到外界環境，盡可能全面的去分析可能出現的破壞性因素，在此基礎之上來制定出可行性較高的解決方案。例如，在所有不良因素中，地震是最不可控且難以預防的一項因素，地震具有著超強的破壞性，因此必須要將其設為概念設計中的一項重點課題。

在進行房屋結構設計時應當提前做好相關的準備工作，以此來提高房屋建筑的抗震性能，從根本上將降低由地震對房屋結構所帶來的損害。具體的措施如下：保證房屋建筑材料的剛度處于對稱且均勻的狀態，進一步提高房屋結構的抗震等級，同時采用延性設計來達到減緩的作用；其次，在房屋結構的設計上還可以考慮實行多道防御系統，通過這一設置能夠幫助房屋分解并減少在地震中所受到的能量，大幅度降低建筑損害度。

3.3 保證結構設計的實用性和藝術性

對于建筑師而言，建筑物本身就是他們最值得驕傲的藝術品，因此在進行建筑物設計時，建筑設計師會盡可能的將自己的想法與意圖淋漓盡致的表現出來，以期能夠呈現出更具實用性和藝術性的優秀作品。為此，建筑結構設計師需要優先考慮到建筑的安全性與實用性，在此基礎之上來盡可能的去改善建筑結構的呈現形式，結合客觀條件來展現出自己的美學意圖。

在實際的結構設計過程中，設計師要保證平面布局的準確性、對稱性以及規則性等，同時還要盡可能的減少建筑質量與建筑剛度這兩者之間的差異性，通過此種方式來避免建筑物在使用過程中因荷載作用過大而發生扭轉情況。在結構設計的豎向布局設計中，需要優先考慮到房屋建筑的功能性，應當保證房屋建筑的豎向承重構件處于上下貫通的狀態，同時運用轉換層來將設計難度與成本控制在合理的范圍內。

除此之外，設計師還要考慮到豎向布局的剛度，通過漸變的方式來避免出現應力集中過度的情況，以此來提高房屋建筑的抗壓能力。

[1]饒元文.結構設計優化技術及其在土建工程結構設計中的應用[J].價值工程，2015（9）.

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