建筑結構設計優化方法在房屋結構設計中的應用

（遼寧 沈陽 110041）

一、結構設計優化技術的現實意義

結構設計優化和傳統房屋結構設計進行比較我們可以發現：運用設計優化的技術能夠降低建筑的工程造價（6～35%）。結構設計優化技術能夠使得建筑結構內部的每個單元都得到最佳的協調，并可以對材料的性能進行最合理的利用。這樣不僅能夠保證相關規定的安全系數，還能夠實現對建筑結構設計的經濟性與實用性。

二、結構設計優化技術在建筑結構設計中的步驟

（一）結構優化模型

房屋結構整體優化設計方法分以按3個步驟進行。

1.選擇設計變量。一般把對設計要求起主要影響作用的參數作為設計變量，如目標控制參數（結構造價C1和損失期望C2）和約束控制參數（結構的可靠度PS）；而將那些對設計要求來講，變化范圍不大或是根據結構要求或局部性的設計考慮就能滿足設計要求的參數等作為預定參數，這可以大大減少設計、計算和編制程序的工作量。

2.確定目標函數。尋求一組滿足預定條件的截面幾何尺寸和鋼筋截面積以及失效概率，從而使總費用最小。

3.確定約束條件。房屋結構基于可靠度優化設計的約束條件，則包括尺寸約束、結構強度約束、應力約束、變形約束、裂縫寬度約束、構件單元約束、結構體系約束、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、從可靠指標約束到確定性約束條件等。在設計中，要使結構優化設計應用于實際房屋結構工程，則是路房屋結構設計中實際的約束條件與目標約束條件相比較，保證各約束條件都符合現行規范的要求，以實現最優設計。

（二）設定優化設計計算方案

房屋結構基于可靠度的優化設計問題屬于比較復雜的多變量、多約束非線性優化問題，在計算過程中，通常是將有約束優化問題轉化為無約束問題求解。可以利用的優化設計計算方法有復合形法、拉氏乘子法、Powell法等。

（三）進行程序設計

根據基于可靠度的結構優化模型和選擇的優化設計計算方法，編制功能齊全、運算速度快的綜合程序。

三、建筑結構設計優化方法在房屋結構設計中的應用要點

（一）選擇節能指標較高的結構類型

房屋結構形式的選擇，意味著選擇不同工程造價的建設模式，常見的結構設計形式有如下三種。

1.短肢剪力墻結構，這種結構形式常見于高層建筑，以混凝土結構技術規程為依托，這種結構形式相對于普一般剪力墻的抗震級別要高，構造配筋率較高，但比起一般剪力墻，構造鋼筋使用數量不多，所以在適當的時候可以選擇短肢剪力墻這種結構形式。

2.框架結構，具有大開間、布局靈活性強和造價成本低的優點，但這種結構抗震能力弱，柱截面較大，形成的柱角凸出部位會妨礙家具的布置。

3.框架一剪力墻結構，即在框架結構中合理進行一定數量剪力墻的布置，這種結構合理，適用能力強，而且能夠應對各種不同的變形壓力，是一種抗側力較好的結構。

（二）注重細部優化

1.關于箱、筏基礎底板挑板的陽角問題。陽角面積可砍成直角或斜角。如果底板鋼筋雙向雙排，且在懸挑部分不變，陽角不必加輻射筋。

2.關于箱、筏基礎底板的挑板問題。雖然在計算時此處板并不應按挑板計算，當然此問題并不絕對，當有數層地下室，窗井橫隔墻較密，且橫隔墻能與內部墻體連通時，可靈活考慮；當地下水位很高，出基礎挑板，有利于解決抗浮問題；從建筑角度講，取消挑板，可方便柔性防水做法。

3.關于梁、板的計算跨度。梁板結構，簡單點講，可認為是在梁的中心線上有一剛性支座，取消梁的概念，將梁板統一認為是一變截面板。在扁梁結構中，梁高比板厚大不了多少時，應將計算長度取至梁中心，選梁中心處的彎距和梁厚，及梁邊彎距和板厚配筋取二者大值配筋。(借用臺階式獨立基礎變截面處的概念)柱子也可認為是超大截面梁，所以梁配筋時應取柱邊彎距。削峰是正常的，不削峰才有問題。

4.基坑開挖結構優化。基坑開挖時，摩擦角范圍內的坑邊的基底土受到約束，不反彈，坑中心的地基土反彈，回彈以彈性為主，回彈部分被人工清除。基礎較小，坑底受到很大約束，回彈可以忽略，在計算沉降時，應按基底附加應力計算。當基坑很大時，相對受到較小約束，如箱基，計算沉降時應按基底壓力計算，被坑邊土約束的部分當做安全儲備，這也是計算沉降大于實際沉降的原因之一。

5.回彈再壓縮基坑開挖。關于回彈再壓縮基坑開挖時，摩擦角范圍內的坑邊的基底土受到約束，不反彈，坑中心的地基土反彈，回彈以彈性為主，回彈部分被人工清除。當基礎較小，坑底受到很大約束，如獨立基礎，回彈可以忽略，在計算沉降時，應按基底附加應力計算。當基坑很大時，相對受到較小約束，如箱基，計算沉降時應按基底壓力計算，被坑邊土約束的部分當做安全儲備，這也是計算沉降大于實際沉降的原因之一。

（三）結構設計信息優化技術

由于房屋建筑結構受到設計變量等條件的約束，難以用單一的方法進行結構優化。筆者認為，鑒于房屋結構設計的復雜性，應該開發一種較為實用方便的參數定義優化軟件，減少設計者在結構優化方面的精力和時間。筆者較為推崇的是TBCAD系統，這種系統是針對結構方案設計、建模、分析、評估等為一體的成本控制軟件系統，這種系統可以進行結構方案的指導設計，使得方案的人力、物力和財力資源等趨于最優狀態。系統的信息分為兩個時間段進行優化，第一個時間段是通過對材料的分配調整，使用最少的混凝土用量滿足側向剛度的要求，系統在這個時間段的目標函數是混凝土的使用量，而結構構件的斷面大小則是設計的變量。第二個時間段是對構件強度的優化，通過對構件結構的斷面大小以及鋼用量的調整，使得構件的強度要求實現只需較少的結構造價。