建筑結構設計優化方法在設計中的應用

楊淑斌

基準方中建筑設計股份有限公司 安徽 合肥 230071

引言

目前，住宅的主要特征是：適用性、安全性、經濟性、可觀性等。隨著人民生活水平的提高，對住宅的要求也越來越高，越來越注重實用和安全。建筑業的飛速發展，人們對建筑的外觀和結構進行了相應的改進，滿足人們需求。新型城鎮化進程的不斷推進，社會經濟飛速發展和人民群眾的日益需要，當前住宅建筑的設計新趨勢是既要確保建筑的功能、安全，又要節約空間，提高建筑的經濟、利用效率。

1 建筑結構設計優化方法的重要性及意義

充分運用建筑結構的最優設計理念，可以更好地發揮住宅產品屬性的功能，更好地體現出新型建筑的優良特性，更好地滿足人們的需求。與傳統建筑設計方法相比，該方法具有更大的優越性，可以提高整個工程的綜合經濟效益。通過對建筑的優化設計，可以使住宅的結構和機電系統之間的聯系更加緊密，更容易實現建筑的功能需求，從而提高住宅的綜合質量，從而使人們的生活更安全、舒適。因此，對住宅進行優化設計，既可以保障住宅的安全，滿足人們需要，又可以提高建筑單位的經濟效益。

在住宅結構設計中，合理地進行結構設計是非常重要的，它既能達到實用和美感，又能有效地控制項目的成本，提高經濟效益。對建設單位（房地產開發企業）而言，他們核心目標自然想要在最小的投入下，取得最大的利益，但同時也要確保結構的科學性、可靠性和安全性，這就必然需要進行結構的優化設計。通過對結構優化設計與傳統住宅結構設計的對比分析可以得出，采用優化設計技術可以降低工程總成本的6%～25%。

結構優化設計技術可以使結構中各構件之間布置更合理，結構受力更加明確，同時也能最大限度地發揮新型建筑材料的特性。這種方法既可以確保住宅產品質量安全可靠，符合有關法律法規的要求，又可以達到經濟和實用的，是一種具有劃時代設計理念建筑結構設計方法，具有十分重要的實際指導意義。

對于建設單位而言，要想讓自己的產品滿足購房者的需求的前提下，獲得最大限度的經濟效益，就必須通過優化設計，降低房子的建造成本。過去的建筑設計難以完全符合現代建筑的需求，常常會造成無法兼顧的情況，但在采用結構優化技術后，上述期望便得以實現[1]。

2 房屋結構設計中應用建筑結構設計優化方法的要點

結構的生命周期和最優的階段。為了使建筑的生命周期和階段性的優化，必須在項目的生命周期中，對各個階段的方案進行優化。同時，設計人員還應對不同時期的結構體系進行合理的選擇，從而達到最大限度地保障結構的壽命，從而有效地改善建筑的總體質量。

在前期設計階段，建筑結構在房屋的設計中應注重運用結構優化的方法，從而達到對房屋結構的可靠的質量控制目標和最優設計成本的目的。在項目前期，對規劃方案優化設計、建筑方案優化設計、結構方案優化設計等設計方案進行全面的綜合運用，可以將建筑設計中的一些疏漏的交圈問題和設計盲點，以及質量控制隱患提前暴露出來，從而達到最優設計方案，確保最大經濟效益，使方案的經濟性、安全性、合理性達到最大化。

設計計算方法及步驟。在進行結構優化時，必須確保選擇的結構方案的最優。在此過程中，包含許多限制因素、變量，因此，在進行結構優化設計時，必須先認識到這些限制因素，再進行合理的理論分析，最后再將各影響因素進行等效、模擬納入到工程設計理論中，利用數學方法對其進行計算分析、優化。

結構設計人員可以通過不斷的優化結構布置、調整計算參數，對結構計算模型進行優化設計，來得到最優的結構設計方案。

基礎結構與主體結構的安全性與穩定性有直接的關系，所以在基礎結構的設計過程中，在兼顧安全性的同時，必須充分運用結構優化的方法，對地質條件、樁基類型、基礎類型、基礎構造做法等進行優化設計。對于樁基方案來說通過經濟技術對比的優化方案，確定樁基的形式、確定樁長、直徑，結合施工進度質量等要求優化基礎結構的方案，選擇最合適的基礎方案，以提高和確保整體結構強度和結構穩定性[2]，同時確保結構安全可靠、經濟合理。另外，對于地下水豐富地區，還需要考慮合理的抗浮設計方案。

對主體的上部結構進行優化。在進行高層建筑結構優化時，應先合理布置剪力墻，使其布置經濟合理，從而有效抵抗荷載作用如風、地震等。在進行建筑結構設計時，應盡量控制剪力墻面積，提高業主后期改造的可能性，并盡可能的預留改造條件。同時，加大新材料的推廣應用，如使用高強度混凝土（C60）、高強度的鋼筋（CRB600H）。其次，從施工角度出發，在進行上部結構優化設計時，考慮施工可行性，采用新技術，降低人力投入、簡化施工的同時，提高施工質量，如，采用鋁合金模板技術使用，提高模板周轉使用率，以達到提高施工效率的目的，同時提高了施工質量。

概念設計與理論實踐相結合。不同之處在于，概念化的設計往往與真實的數據分離，對設計人員的要求較高，因而在進行計算時，對于不同的設計人員，抗震概念理解不同，不可避免地會產生很大的差別。這就需要在進行概念設計時，設計人員要對相關規范的深刻理解到位，并將有關的理論要求應用于結構設計，對計算軟件提供設計結果，判斷其合理性，并用于結構設計實踐中。在進行設計時，不僅要對整個設計進行宏觀的把握，還要注重細部結構的優化，確保細部的工作不會出錯，以確保整體結構達到的安全、合理的效果。例如：材料強度、抗拉強度取值、荷載取值、結構計算參數等各細部要素的設計取值，可以極大地保障結構優化設計技術在結構設計實踐中的廣泛應用。

3 建筑結構設計優化方法在房屋結構設計中的具體應用

3.1 分階段優化和壽命優化

在一個特定的時期里，每一個項目都有一個固定的壽命周期，每一個周期都會有不同的設計方案，從這一點上來說，每一個階段都可以進行優化。所以，在進行結構設計時，必須考慮到不同時期的不同特征，以使整個結構的壽命得到最大限度的優化，并確保工程的總體質量[3]。

3.1.1 整體優化和局部優化。建筑結構的結構設計是復雜的、層次的，從結構的復雜性出發，建筑結構的優化包括材料的選擇、構件的選擇、結構體系的選擇等等；從層次上說，結構設計的優化包括整體設計、基礎設計和主體設計和節點設計，這些系統又包括多個附屬系統，在結構設計優化時，結構設計人員既要優化各個子體系，也要打破相關的邊界，達到“疊合式”，也就是要從整體上進行整體優化。

3.1.2 上部結構的優化。為了優化住宅的上部結構，應在高層建筑中合理設置剪力墻。在合理配置剪力墻時，必須使墻體的分布均勻、并盡量布置在結構四周，從而使結構的剛性中心點與樓面整體結構的質量中心相統一重和，從而減小結構在外部荷載如地震、風等對房屋產生的扭轉作用。同時，為了減少鋼筋、混凝土等建材的消耗量，在結構允許的情況下，可采取大開口的剪力墻結構，減小剪力墻長度、減少墻肢數量、提高混凝土強度等措施，既能滿足結構需要，又能減少混凝土用量。當然，在進行房屋結構設計時應注意到，如果房屋所處的地段地質情況不佳，并且對地震反應能力有很高的要求，那么就不宜采用大面積的剪力墻[4]。

3.1.3 下部結構的設計優化。在進行地基結構設計時，要合理地選擇基礎方案，比如，根據施工現場的實際情況，選用適當的樁基方案，并盡可能降低施工成本。同時，根據樁端持力層的長度，合理地選擇樁長，對不同的設計方案進行了分析、對比，并結合場外試樁，最終確定了最優的樁長。

3.2 概念設計結合細部結構設計優化

如果沒有特定的數字量化，我們可以采用概念設計。比如，當抗震設防時，由于地震作用的不確定因素，我們就不能得到與實際情況相符的理論公式。因此，在進行抗震設計時，我們可以采用概念設計的方式，將其與之對應的數值取值相結合。同時，在進行結構設計時，要合理、靈活地運用結構的優化方法，以取得最好的效果。在進行工程設計時，應對各構件進行合理的設計與優化，進行簡化計算，例如：在采用現澆混凝土異型樓板板時，因彎角容易出現裂紋，可將其簡化為矩形板，再合理地選擇鋼筋構造措施，既能滿足結構的基本要求，又能確保施工安全、合理。

3.2.1 結構與建筑的協調優化。建筑結構的優化應注重建筑結構與建筑功能造型的協調統一，從而達到建筑的美觀和結構的安全合理。在布置建筑物的柱子和剪力墻時，要根據建筑物的平面功能要求，保證各房間的功能是完整的，結構布置不影響建筑功能的施工。在進行結構優化時，應選用強度高的建筑材料，以減輕結構的重量。對于非結構構件，可以選用重量輕的建筑材料，如內隔墻的砌體材料。同時，在結構體系中，盡量做到簡單明了，避免墻體和立柱的錯位，并保證各樓層的高度和剖面空間是連通的，使結構豎向構件連續，結構傳力合理。

3.2.2 結構與排水系統的協調優化。排水是住宅建設的重要組成部分，因此，在進行結構優化時，必須考慮到結構和排水的協調。由于住宅的特殊排水管道，其安裝的管線比較多，所以其承受的荷載比一般的房間要大，所以在結構優化時，可以在地下室設置給水系統專用房[5]。由于設備房中管線眾多，且管徑、根數各有不同，在設計時必須確保預留的孔徑和預埋深滿足規范要求。另外，由于某些水平方向的管線會穿過剪力墻或橫梁，因此在結構優化時應盡量避免。在施工時，若管線必須穿過結構房屋的剪力墻，則應對其進行必要的加強。為了使住宅建筑的整體結構和排水系統達到最佳的協調，盡量減少管線穿剪力墻、穿梁等問題。

3.2.3 結構與電氣系統的協調優化。為了使房屋的建筑結構與電力系統的最佳化，一般都是在金屬管道的外部或者墻壁、樓板上鋪設電線，這種方式往往會影響到建筑的正常使用。因此，在進行結構優化時，應事先預留出與梁寬度相適應的孔洞[6]。如果不能保持一致，那么至少要保證墻的一邊和橫梁的邊是水平的，這樣才能保證管子不會從墻里露出來。比如要讓管道從梁體上穿過去，就必須要做好準備，不然的話，下一次要穿過梁體，就必須要預留一個孔，這不但會影響到美觀，還會影響到結構整體安全。

3.3 對于鋼筋混凝土框架結構設計優化

鋼筋混凝土結構在我國的住房配套結構中占有重要地位，目前國內大多數住宅均為鋼筋混凝土結構。因此，有必要對鋼筋混凝土框架進行設計優化。在某些鋼筋混凝土框架結構中進行優化設計是必要的。一般都是按照建筑的剖面控制方案來設計，然后利用有限單元的方法，對整個結構進行受力分析，然后將其分解，得到最優的結構。

4 結束語

在建筑結構設計中，結構的優化設計是非常關鍵的，它既可以滿足技術指標，又可以降低經濟費用。但是，由于建筑結構的優化問題十分復雜，而且具有很強的綜合性，因此需要加強對其優化的研究。文章對住宅結構的優化設計進行了深入的探討，并給出了有關的優化優化方法和關鍵點，以供廣大設計人員參考。