結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化方法在房屋建筑結(jié)構(gòu)設計中的應用

柴平太

摘 要：在進行建筑結(jié)構(gòu)的設計中，結(jié)構(gòu)設計的優(yōu)化是十分重要的環(huán)節(jié)，做好建筑結(jié)構(gòu)設計的優(yōu)化工作可以提升建筑的經(jīng)濟性能，降低建筑成本。 因此，在進行房屋建筑結(jié)構(gòu)設計中，要將先進的設計方案和施工技術(shù)進行融合，提升設計人員的素養(yǎng)，增加進行結(jié)構(gòu)設計的經(jīng)驗，對建筑結(jié)構(gòu)設計中的新技術(shù)以及新材料進行把握，提升建筑結(jié)構(gòu)的安全性以及耐久性。本文主要就建筑結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設計中的應用進行了分析，希望可以為后續(xù)的建筑結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化工作提供借鑒。

關鍵詞：結(jié)構(gòu)設計；優(yōu)化方法；房屋建筑

1 房屋建筑結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化意義

房屋結(jié)構(gòu)設計的最終目標應該是設計出造型美觀、功能齊全，同時經(jīng)濟成本又較低的房屋建筑，同時還要考慮到對于周圍環(huán)境的保護。實際上，這給房屋結(jié)構(gòu)設計者的工作提出了非常高的要求，因此，房屋結(jié)構(gòu)設計者在進行設計的過程中，要不斷進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，利用自己本身所具備的專業(yè)知識，不斷進行調(diào)整，最終實現(xiàn)房屋建筑的整體效益。對于建筑商來說，在房屋安全使用性能得到保障的同時，還要盡最大可能地減少成本支出才是終極目標。而對于用戶來說，房屋的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能夠長期使用同時外形也要美觀是最終目標。

2 建筑結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化方法應用理念及主要步驟

2.1 應用理念

房屋結(jié)構(gòu)設計中建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方法的應用要遵循相應的優(yōu)化設計理念，首先要全面的對房屋結(jié)構(gòu)體系合理性進行優(yōu)化設計，其次要合理規(guī)劃房屋結(jié)構(gòu)局部的優(yōu)化設計。建筑的房屋結(jié)構(gòu)較為復雜，應先從整體上把握房屋結(jié)構(gòu)整體特點，在此基礎上對房屋結(jié)構(gòu)中的零部件選取、建筑原料選取等進行初步設計。此外，房屋結(jié)構(gòu)中又包括層次較多的小模塊，每一模塊都需要進行系統(tǒng)的設計與優(yōu)化，設計人員要做好各個模塊的局部優(yōu)化設計，確保實現(xiàn)房屋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計目標；房屋結(jié)構(gòu)設計的任一階段都可進行優(yōu)化設計，要充分結(jié)合各個階段的性質(zhì)確定結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，以提高房屋建筑質(zhì)量，提高建筑的經(jīng)濟效益。

2.2 主要步驟

2.2.1 制定結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型

制定科學合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型是應用建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方法的重要途徑，模型的搭建要結(jié)合房屋結(jié)構(gòu)工程實際情況，并根據(jù)工程要求進行模型優(yōu)化，在房屋結(jié)構(gòu)模型中體現(xiàn)房屋結(jié)構(gòu)性能。將影響因素以預定式參數(shù)的形式表示出來，為具體的模型設計人員提供參考。預定式參數(shù)的應用能夠使房屋結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型搭建過程中的設計數(shù)量和計算數(shù)量減少，從而提高模型質(zhì)量。

2.2.2 明確結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的基本目標

房屋結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化行為需要在理清所有建筑環(huán)節(jié)的基礎上執(zhí)行。要在結(jié)構(gòu)優(yōu)化前期準備好滿足施工設計要求的鋼筋截面面積，明確房屋結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化的基本目標，為控制房屋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計成本提供便利條件。

2.2.3 制定科學的約束條件

房屋結(jié)構(gòu)設計的操作人員要嚴格遵循建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計標準，重視房屋結(jié)構(gòu)質(zhì)量，確保建筑整體質(zhì)量。在進行房屋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計時，不能隨意更改原先的設計方案，要在基本約束條件的制約下執(zhí)行優(yōu)化設計措施。

2.2.4 科學對比設計方案

建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方案的制定需要多重篩選，要將各種房屋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方案中涉及到的參數(shù)計算出來，得出基本的計算結(jié)果并進行綜合比較，按照企業(yè)、業(yè)主等各方面的要求，選擇經(jīng)濟效益和社會效益兼具的房屋結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化方案。房屋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計方案中要體現(xiàn)對可能出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)問題的優(yōu)化，并建立專項設計項目，深入研究和分析房屋結(jié)構(gòu)設計中存在的不合理之處，確保按照整體結(jié)構(gòu)實用和安全的要求進行房屋結(jié)構(gòu)的整體優(yōu)化設計。

3 建筑結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設計中的應用

3.1 形狀優(yōu)化

形狀優(yōu)化是指在指定的房屋結(jié)構(gòu)下，根據(jù)要求調(diào)整結(jié)構(gòu)外部設計，或者調(diào)整房屋內(nèi)部結(jié)構(gòu)部件的幾何形狀，以優(yōu)化房屋結(jié)構(gòu)設計的實用性、經(jīng)濟性。由于形狀設計優(yōu)化方法需要不斷改變分析、計算模型，模型的改變勢必需要重新生成有限元網(wǎng)格，網(wǎng)格的增加使原有結(jié)構(gòu)設計關系網(wǎng)更加復雜。使用形狀優(yōu)化方法，在房屋結(jié)構(gòu)設計中單元結(jié)構(gòu)、房屋性能和設計變量之間不再是線性關系，它的敏度分析和有限元計算比尺寸優(yōu)化復雜且量多，因此形狀優(yōu)化設計方法難度比尺寸優(yōu)化大的多。

3.2 結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化技術(shù)與建筑結(jié)構(gòu)設計的結(jié)合

建筑物的設計通常從結(jié)構(gòu)的布置開始展開，只有定了結(jié)構(gòu)布置之后，才能結(jié)合相應的負荷要求來確定具體的參數(shù)、材料的要求，這些數(shù)據(jù)分析不僅要借助于計算機，還應當結(jié)合人工的測量和計算，經(jīng)過大量的測量和數(shù)據(jù)分析，才能做出最科學的判斷。這就要求相關的技術(shù)工作人員，要樹立積極工作、認真負責的工作態(tài)度，不斷提高自我的專業(yè)水平，在一定的技術(shù)的支持下，盡可能對每一個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)都做到詳細的記錄和分析，不忽視每一個環(huán)節(jié)，精準的記錄。

3.3 房屋建筑上層結(jié)構(gòu)的分析

對房屋建筑的結(jié)構(gòu)建設優(yōu)化分析，房屋上層建筑設計的結(jié)構(gòu)優(yōu)化處理是主要部分。房屋建筑設計的上層墻體建設中，剪力墻的作用對平衡房屋建筑的受力作用的分析上具有影響作用。如果在實際房屋建設中，房屋建筑設計的整體優(yōu)化情況改善通過增減剪力墻的長度進行調(diào)節(jié)，促進我國房屋建筑整體結(jié)構(gòu)的受力平衡性提高，使房屋建筑的受力面積提高，房屋建筑的剪力墻在實際中發(fā)揮的作用性越大，房屋建筑各個受力點之間的平衡關系性越均衡，房屋建筑的整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化作用性越大。

3.4 房屋結(jié)構(gòu)外套框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計基本思路

房屋結(jié)構(gòu)平面框架的優(yōu)化設計是一個多次及高次超靜定問題，框架荷載使用條件是不變的設計因素，因此優(yōu)化設計上也就剩下梁柱桿件截面尺寸為變量，因此可以通過調(diào)整相應的截面尺寸進行優(yōu)化設計。房屋基本框架中，任何一個梁柱截面積的尺寸發(fā)生改變，都會影響整個結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布，然而這種影響僅僅只針對桿件附近內(nèi)力影響較大的情況。在每次優(yōu)化設計過程中，對于單個構(gòu)建截面尺寸發(fā)生改變的情況，往往需要重新計算結(jié)構(gòu)內(nèi)力，這樣必然會浪費大量時間。為此，在實際的操作中，就可以近似假定桿件截面尺寸的改變不會影響到框架內(nèi)力的重新分布，但是需要注意的是這個假定只能夠在一次優(yōu)化中使用，全部桿件優(yōu)化有獲得新的方案就需要放棄假定，對內(nèi)力進行重新分析，這樣才能夠逐漸獲得最優(yōu)的方案，之后將最優(yōu)方案借助常規(guī)框架計算進行一次分析即可。

3.5 優(yōu)化基礎設計

在結(jié)構(gòu)造價中，占據(jù)比重最大的是基礎造價，其決定了整個工程造價。在設計建筑基礎時，要恰當選擇建筑基礎類型。通常情況下，底層建筑較多應用淺埋天然基礎，而高層建筑較多應用沉降控制符合基礎。對于深埋獨立地下室，可考慮采用補償式基礎。在進行地下室設置時，要充分比較并驗證地下室的樁型、埋深、底板結(jié)構(gòu)形式、頂板結(jié)構(gòu)形式、抗浮水位、基坑圍護以及側(cè)墻設計等問題，同時要盡可能的降低工程造價。

4 結(jié)語

目前，我國城市建設在不斷地發(fā)展，建筑工程也得到了飛速的發(fā)展，在提升建筑質(zhì)量的同時，人們對建筑工程的功能性、安全性以及耐久性等要求也不斷的增加，更加注重居住環(huán)境的舒適性能。因此，要做好建筑工程結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計工作，對建筑工程的經(jīng)濟型以及美觀性進行充分的考慮，運用建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化技術(shù)，確保建筑結(jié)構(gòu)的參數(shù)準確性，做好地基基礎設計，對鋼筋材料的質(zhì)量進行控制，注重抗震設計和概念設計，提升建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，同時也為后期的施工提供了相對便利的條件。

參考文獻：

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