淺析結構優化設計在建筑工程設計中的意義和應用

王 祎

中盛精誠工程項目管理有限公司貴州分公司 貴州 貴陽 550081

建設工程是建設工程的組成部分，對建設工程的質量至關重要，良好的結構優化設計有助于改善建筑性能。相反，如果結構優化設計不利于建筑工作，則很容易產生安全問題。因此，設計人員在對建筑工程進行結構優化設計工作時，必須注意一定的優化設計程序，以保證建筑工程的整體質量和安全。

1 結構優化設計的含義及意義

1.1 結構優化設計的含義

結構優化是在建筑工程中追求結構優化規劃，綜合考慮結構安全性、易用性、美觀性、經濟性等因素。結構優化設計針對特定項目，具有地理環境目的、原材料供應條件、個人審美要求、成本控制措施等限制。結構優化設計是通過在有限的情況下滿足項目的需要，認識設計的特點，采用適當的優化技術來實施優化的設計方案。優化設計的內在驅動力在于找到安全性、經濟性和易用性的最佳組合。結構優化設計的過程始終是一個發現問題和解決問題的過程，需要專業技術人員概念設計、計算分析和同行評審方面的技能，還需要專業外的合作與協作。因此，結構優化設計是一項系統工程。

1.2 結構優化設計在建筑工程設計中的意義

結構優化設計作為建筑工程設計的基礎，可以保證建筑工程結構的整體安全和空間資源的有效利用。然而，由于施工環境復雜，市場發展環境多樣，結構優化設計在設計教育中的科學有效性并不能得到保證。長期來看，建筑施工可持續性不強，將阻礙建筑業的健康發展。為此，開發商應從科技資源入手，并結合房屋的實際建造狀態來優化設計，從而避免了其他因素的負面影響，滿足了人們對舒適性和環境穩定性的需求。

2 建筑施工結構優化設計內容

2.1 結構的概念優化設計

優化設計概念設計主要包括建筑系統選擇、場地選擇、建筑尺寸合理化、建筑布局等，選擇一個合理的系統，，盡可能多地使用規則的平面形狀，提高執行結構優化設計，對于節省設計成本尤為重要[1]。

2.2 主要構件的優化設計

主要構件的優化設計主要包括結構圖的簡化、建筑材料的選擇、構件的選擇、電樞的設計等。對于適當的結構優化設計，部件的大部分加固必須在結構加固的允許范圍內。如果設計者不理解規范的目的，隨意通過增加材料的用量來解決安全問題，設計不僅不會變得更安全，反而會起到反作用。

2.3 細部節點的優化設計

細部節點的優化設計主要包括外飾條、飛檐、環梁和壓頂結構的優化，這些都是設計師經常忽略的。但是，由于這是建設成本的重要組成部分，因此必須嚴格控制以防止進一步損失。

3 建筑工程設計中結構優化設計存在的問題

3.1 結構優化設計方案欠合理

結構優化設計規劃包括結構系統層面的總體布局，還有材料組件、截面選擇以及梁、柱、墻和基礎空間的布局。雖然規劃結構化項目的存在理由一直是研究人員和工程師的工作，但兩組的出發點、研究方法和思維方式實際上是不同的。雖然科學研究人員希望從根本上確定最佳結構優化設計決策的基本原理，但工程師對工程師的狀況有更好的了解，并且結構優化設計是以安全為基礎的，設計師必須做好行動規劃。從這個角度來看，工程師的出發點更接近實際項目，評估建設計劃的合理性會更正確。然而，根據工作的性質和內容，很難仔細評估和改變計劃的基本原理，因為大多數工程師的設計經驗有限，缺乏培訓和更新會導致計算理論知識缺乏支撐。當研究人員分析結構優化設計計劃的基本原理時，不會考慮技術和邊際錯誤。未能正確考慮技術錯誤會導致有風險的測試結果，不可接受的容錯會導致保守的測試結果。這說明科研人員與技術人員之間缺乏信息交流，導致理論研究與工程實際需求之間缺乏足夠的理解。以設計工程為例，當研究深度不足時，難以保障設計方案的合理性，而正確優化設計方案的依據是資質水平不足和可靠性低。而且，我國還在不斷地對房地產項目管理制度的實施進行檢驗和評估，其唯一的標準就是規范。只要不違反標準，大多數承諾都可以避免，設計師仍然可以專注于“安全”并保持冷靜。在討論項目結構方案合理性的階段，考慮到宏觀層面留下了很多要求，阻礙了項目結構方案在更高層次和方向上的合理發展[2]。

3.2 造價管控力度不足

造價管控力度不足主要表現在兩個方面：一是設計人員對配額制定的了解不夠，二是成本管理方法和制度還不完善。從長遠來看，對設計師來說最重要的是施工的安全性。當他們的設計能力不夠時，他們不會犧牲節省來為結構提供更大的安全邊際，這是一個結構優化設計師，對項目成本沒有給予應有的重視。在大多數工程項目中，結構優化設計工作與整體項目投資管理的聯系并不緊密。資本成本管理是一個技術和經濟問題，許多建筑設計師都這么認為，他們不認為他們正在積極管理建設成本，因為從長遠來看，工程無法過度使用來完成工作。然而，在實踐中，項目成本管理不僅僅是一個工程和經濟問題，而是一個需要所有部門合作的問題。施工也符合設計結果的共識，考慮到工程總成本的大部分，這是造價管控的來源之一。如果在設計階段不主動控制方案優化的成本，在項目的后續實施過程中很難回到之前的成本。在成本管理方面，現有的方法和系統仍然可以改進。

4 結構優化設計在建筑工程設計中的應用

4.1 優化結構優化設計方案

結構優化設計方案的優化可以從整體結構布局優化、結構構件布局優化、結構材料選用優化三個方面來實現。整體結構布局的要求決定了結構整體布局的宏觀要求，但不限制結構整體布局的可變性。對于同一個參考平面，關聯的參考平面可以不同。但是，為了在整個游戲過程中賦予整體結構布局靈活性，必須首先充分了解建筑計劃的內部邏輯，以每個表面的點數計算，然后選擇合適的結構載荷。此外，重點安裝結構的特殊承重部位，如加強層和過渡層，以實現整個結構的協調統一。結構構件不足優化主要與主要承重部件的放置有關，如梁、柱、墻和基礎。現有的結構優化設計規范系統為組件放置提供了相對完整的指南，開發者必須對規范體系有完整的了解，并詳細應用相關規則。在此基礎上，根據項目中的實際情況和結構優化設計理念，采用三維方案的設計計算參數、構件放置、局部空間布局。結構的物理性能與零件的強度、硬度和穩定性有關，材料的選擇應主要由零件的力學性能決定。對于中等載荷的構件，使用相同數量的每種強度的混凝土或鋼材。隨著建筑結構體量的增加和對建筑下方強度要求的提高，對構件的承載能力、抗變形能力和抗外力侵蝕的要求也隨之提高。隨后，出現了具有力學和物理性能的高強混凝土、超高強混凝土、超高強鋼以及各種結構材料。為此，在結構優化設計中充分考慮到結構材料選用優化，在合適的地方選擇合適的材料，使不同的材料能夠最大限度地發揮效率，保證材料的高利用率[3]。

4.2 基于建筑結構體系類型的選擇

建筑系統類型的最佳設計方法通常是選擇建筑結構體系，最重要的輸入因素包括建筑功能、高度、結構、抗震要求和環境要求。目前我國城市建筑的結構主要由三種類型組成：一種是框架結構，一種是框架位移結構，三是位移墻結構。特別是，建筑結構經常用于建筑項目的設計過程中。與其他類型的結構相比，抗震性能高，制造成本低，減少了材料的使用。框架結構的優點是靈活性高，有利于增加建筑物的內部空間，而且造價低。框架杯結構是一種工程設計形式，是一種具有高靈活性和良好側向阻力的設計形式。設計者在完成一個建筑工程的優化設計時，必須綜合考慮設計要求、操作要求、工程造價、技術、施工等多方面因素來選擇合適的建筑工程結構體系。確保建筑物處于最佳工作狀態，可以避免浪費資源、控制成本，并從建筑業務中獲得經濟效益。開發人員通常在選擇工程架構類型后使用結構優化，以偏墻結構的選擇為例，在選擇偏墻結構的應用后，應進行基于連梁的優化設計操作。一般來說，為了提高建筑物的抗震性能，需要增加錨梁的剛度，但增加剛度會增加錨梁與墻體之間分布的張力，而審查顯示材料質量有顯著提高。因此，當不需要堅持優化設計時，設計師必須優化具有松散耦合梁的大型建筑結構。立柱的位置直接決定了建筑內立柱之間的距離，一般立柱網格的尺寸為6-12m，如果桿間距太小，力會直接作用在輸電線路上，減少輸電線路的長度。雖然這種優化技術可以有效減少建筑物上方的材料量，但根據建筑物的整體基礎設施，這種技術會增加項目的總體成本。設計師在優化時應將成本視為一個重要因素，會影響建筑項目的設計和成本，數量和大小也會影響項目的成本。因此，設計師在完成建筑立柱布局設計后，必須對斷面進行合理優化，為管理項目成本奠定基礎[4]。

4.3 提高結構優化設計手段

計算能力的顯著提高和計算機輔助設計軟件能力的不斷發展，有力地支持了當前的結構優化設計。這些數字技術應用于結構優化設計，以提高結構優化計算的質量和效率。這些應用在計算機輔助設計中的應用在未來將傾向于擴展結構優化設計，特別是隨著建筑結構尺寸的增加和結構形式的復雜性增加，可以從各種結構化的計算機程序和平臺中進行選擇。不同的軟件和平臺有不同的掃描選項、不同的掃描目標、使用不同的計算資源，并且各有其利弊。因此，在本項目結構優化計算中，選擇首先明確邊界條件和分析的目的，然后選擇軟件和計算機平臺作為目標。如果模型沒有通過所有的測試，計算軟件也不能保證結果的可靠性。因此，正確的方法不限于特定的模型或軟件，而是被廣泛使用，包括在手動計算中，采用多種計算方法，達到結構優化的最終設計目標。

實際使用支持計算和結構優化設計的計算機軟件，需要對軟件的計算邏輯和范圍有準確的理解，只有在此基礎上才能正確使用。目前，我國自主研發的基礎結構優化設計和分析軟件的功能正在迅速變化。總的來說，該軟件提供了復雜強度計算、零件截面驗證計算、混凝土配筋計算、鋼結構火災探測計算、異形等功能，大大簡化了設計人員的工作，同時也提高了設計人員的要求，設計參數更豐富，參數設置更自由，設計者必須了解每個參數的重要性以及如何影響結構分析。否則，軟件本身將無法發揮其強大的功能，會浪費軟件資源，可能導致設計錯誤，從而產生嚴重后果。在提高結構優化設計的過程中，可以看出提高結構優化設計人員在計算機軟件領域的知識和技能水平是非常重要的。基于常規基礎設計軟件的功能，設計特定復雜結構需要通用大型結構分析和有限元分析軟件。該軟件具有強大的力學分析能力，最重要的數據是整個結構的力學性能和局部構件區域復雜內力的結果。由于該軟件的參數化自由度大于傳統的結構優化設計軟件，一些參數值的微小差異會導致結果的較大差異。因此，項目開發人員必須能夠在使用輸入條件時做出準確的決策，提高計算和評估結果的可行性。除了結構分析和分析軟件，結構優化設計師還需要學習一些實現BIM概念的軟件。BIM技術用于建筑結構的設計、施工、使用、運營和維護，BIM技術的應用還可以幫助提高設計師對整個建筑結構的理解，從而簡化設計過程，做出更明智的選擇[5]。

4.4 柱箍筋與框架梁的優化

對于抗震能力不同的框架梁，支撐間的最小和最大距離設置在柱支撐密度范圍內。根據該規則，本工程設計的過梁密度柱狀范圍內過梁間距最大為100mm。在計算機程序的一般信息欄中，還指出柱箍筋與框架梁之間的距離（應該是120mm），設計人員將與指定的規格一起確定柱箍筋與框架梁的數量和直徑。計算機程序計算需要在密集載荷作用下在集中載荷作用點處，因此需要增加柱箍筋與框架梁的直徑。在框架梁設計中，確定框架梁支架密封區域邊界后，未編碼區域的支架間隙過大，支架分配比例不足，支架間距不足夠的。這里討論的柱箍筋與框架梁都被認為是未加密區域的，在彎曲不足和位移較大的情況下，無需考慮實際要求。

4.5 建筑結構電氣優化設計

建筑結構電氣優化設計是優化建筑結構的一個非常重要的環節。在房屋建筑中，布線用于準確布線電線，以便可以有效地安裝在建筑物的地板或墻壁上。在安裝電氣導管時，必須考慮優化措施以獲得一定的好處，因為許多因素會增加優化設計的剛性。例如，在鋪設電纜時，如果導管穿過混凝土墻，則需要提前預留開口。如果沒有孔，則需要重新鉆孔以使電線穿過墻壁，但是這會影響房屋結構的外觀并削弱墻壁的完整性。為了優化建筑結構，有必要確保建筑物墻壁的寬度與所考慮的梁的寬度相匹配。如果梁的寬度與墻壁的寬度不匹配，則必須執行必要的程序，以確保被正確固定，并且電線不會從建筑物的墻壁上泄漏。同時，電氣也是設計過程中非常重要的一環。一般來說，一棟建筑物的電梯井有很多空腔，這些空腔是由幾個部分組成的。要解決這個問題，設計師必須保證電梯設計的獨立性，以及房屋整體設計中優化設計方法的效率和合理性[6]。

5 結語

綜上所述，當今人居環境的整體需求日益增長，對建筑產品質量的要求也在不斷提高。為了降低設計成本，需要采用結構優化設計技術，充分利用結構優化設計資源，實現結構優化設計項目的預期目標。同時，在將結構優化設計方法應用于建筑結構時，既要說明優化設計方法，也要應用不同的建筑體系，采用新的施工技術，結合實際施工情況，確保建筑結構的安全性，提高建筑整體質量，使建筑公司能夠在競爭激烈的建筑市場中站穩腳跟。