探究建筑结构设计的优化方法及应用

建筑结构设计优化方法及应用姚大园（江西省丰和营造集团有限公司，江西南昌330000）摘要：本文主要根据结构设计优化技术的分析探讨了房屋结构设计中的应用。关键词：结构设计方案问题应用在建筑结构设计的过程中，在基本满足建筑师设计意图的基础上，平面布置应尽量规则，对称，尽量缩小质量中心和刚度中心的差异；使建筑物在水平荷载作用下不致产生太大的扭转效应。竖向布置上，在满足功能要求的前提下，尽量使竖向承重构件上下贯通；能不使用转换层的就应避免使用，以减小结构分析和设计上的困难，另外也不经济，还容易造成应力集中；竖向刚度最好不要突变，而要渐变，否则突变处在水平荷载作用下会出现严重的应力集中现象，这对1结构优化设计的模型和方案房屋工程分部结构优化设计包括：基础结构方案的优化设计、屋盖系统方案的优化设计、围护结构方案的优化设计和结构细部设计的优化设计。对以上几个方面的优化设计还包括选型、布置、受力分析、造价分析等内容，在实施过程中，还应该按照一切从实际出发的原则，结合具体工程的实际情况，围绕房屋建筑的综合经济效益的目标进行结构优化设计。进行结构设计时，应在满足设计意图后，尽量使平面布置规则，缩小刚度和质量中心的差异，这样水平荷载就不会使建筑物有太大的扭转作用。竖直方向上应避开使用转换层，减少应力集中现象。1．1结构优化设计模型结构设计优化就是在各种影响变量中选择主要参数，并建立函数模型，运用科学合理的方法得出最优解。结构总体的优化建立模型的大致步骤是：设计变量的合理选择。通常的设计变量选择对设计要求影响较大的参数，将所涉及的参数按照各自的重要性区分，将对变化影响不大的参数定为预定参数，通过这种方法可减少很多计算编程的工作量。目标函数的确定。使用函数找出满足既定条件的最优解。最后，约束条件的确定。房屋结构可靠度优化设计的约束条件，包括了应力约束、裂缝宽度约束、结构强度约束、尺寸约束、从正常时的极限状态下弹性约束到终极状态的弹塑性约束、从可靠指标约束到确定性约束条件等。设计中，要保证各约束条件必须符合现行规范的要求。1．2结构优化设计方案结构设计优化设计多个变量、多个约束条件，属于一个非线性的优化问题，设定计算方案时，常将有约束条件转变为无约束条件来计算。常用的方法有拉氏乘子法、符合型法等。完成计算方案的设定后只需编制相应适用的运算程序即可得到我们的最终优化结果。2结构设计优化技术在应用中的几个问题结构设计优化方法应用于实践之中，是目前一个比较广泛的课题，利用结构优化的方法在不改变适用性能的前提下达到降低工程造价的目的。结构设计优化设计应用于项目的整体设计、前期设计，旧房改造，抗震设计等设计的各分部环节，发挥着巨大的效益。在按照结构设计优化的方法及模型进行实践的过程中，要注意下面的几个问题。2．1前期参与因为前期方案的确定直接影响建筑的总投资，而现在存在的普遍问题就是前期方案阶段结构设计并不进行参与，建筑师进行建筑设计时大多并不考虑结构的合理性以及它的可行性，但是建筑设计的结果却直接对结构设计造成影响，某些方案可能会增加结构设计的难度，并使得建筑的总投资提高。如果在方案的初期，结构优化设计就能参与进来，那么我们就能针对不同的建筑类别，选择合理的结构形式，合理的设计方案，获得一个良好的开端。2．2细部结构设计优化概念设计应用于没有具体数值量化的情况，设计过程中需要设计人员灵活的运用结构设计优化的方法，达到最佳的效果。与宏观把握相对应的，设计的过程同时要注意对于细部的结构设计优化，比如现浇板中的异形板拐角处易出现裂缝，可划分为矩形板。注意钢筋的选择，I级钢和冷轧带肋钢市场价格差不多，但是他们的极限抗拉力却相差很大，所以在塑性满足要求的情况下，现浇板的受力钢筋就可选择冷轧带肋钢筋。在做里面设计的时候，外立面上的悬挑板及配筋，满足基本的规范要求即可，达到既安全又经济的目的。2．3地基基础结构设计地基基础的结构设计优化首先要选择合适的方案，如果为桩基础，那么要根据现场地质条件选择桩基类型，尽量节省造价。桩端持力层对灌注桩桩长的选择影响很大，应多进行比较以确定最合适的方案。3结构设计优化的的功用3．1降低总造价进行结构优化设计中，多层住宅和高层住宅相比较，层数越多，总建筑面积增大，单位建筑面积占用的土地面积就越小，节约了用地成本，但建筑层数的增多，建筑总高度也会加大，楼与楼之间的间距也要加大，这时占用的土地节约量就不与建筑层数增加比例相同了。对于基础部分而言，(下转第54页)·25·2012年第6期（总第123期）江西建材建筑与规划设计使用，维护量会越来越大，所以电力电缆的选择应谨慎选择。电力电缆的截面选择：通常按照经济电流密度的曲线和持续允许的电流来进行选择。在一年中负荷最大的使用小时数相同的情况下，利用前者选择电力电缆通常比按后者选择的电缆截面要大一个等级，这样对于电缆材料的投资和使用量非常不利。在选择电缆材质时，因为铜电缆价格的确比铝电缆的价格贵许多，因此不少工程都选购了铝电缆，其实从电力电缆的长期经济稳定运行的角度来看，铝电缆在安全和节能方面是不占据优势的。但是铜电缆越粗，比相同截面的铝电缆贵重的倍数越大，所以在保证安全的前提下，个别截面较粗的电缆可以选取铝电缆，这个有待于探讨，具体情况具体分析，但是较小截面的铜电缆比铝电缆贵不太多，推荐选择铜电缆。4合理选择光源为了达到照明工程的节能设计，其光源的选择推荐选用高效能的光源，这种高效能的光源的发光效率是普通照明灯的好几倍，可以大量的节约电力电能。对于工厂、住宅用的卫生间及其上下楼梯间应尽量选择节能显著的吸顶灯为宜，虽然这类灯具的功率相对较低，但是也可以满足人们和用户生活的需要，所以选择此类灯具会节约很多的电能。对于图书馆、阅览室和超市的货架处可以选择紧凑型荧光灯，因为它的光通量较高，光线比较集中，适合这类场所和人们生活的实际需要，且减少了照明工程的投入成本和安装。参考文献［1］许先灶．智能化低压配电系统的发展与应用［U］．低压电器，2004（2）．［2］何首贤．供配电技术卟中国水利水电出版社，2005．［3］任红．建筑电气设计中的节能措施U］建筑电气，2008（02）檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪．(上接第51页)梁上集中力，产生的剪力在整个梁范围内是一样，所以抗剪满足，集中力处自然满足。主次深梁及次梁相对主梁截面、荷载较小时，也可满足。（6）一般情况下，悬挑梁宜做成等截面，尤其出挑长度较短时与挑板不同，挑梁的自重占总荷载的比例很小，作成变截面不能有效减轻自重。变截面挑梁的箍筋，每个都不一样，加大施工难度。变截面梁的挠度也大于等截面梁。当然，外露的大挑梁，可适当变截面，使感官效果好些。（7）当建筑大多数房间较小，而仅一两处房间较大时，如按大房间确定基础板厚会造成浪费，而按小房间确定则造成配筋困难，当承载力能满足要求时，可在大房间中部垫聚苯卸载，按小房间确定基础板厚。（8）悬挑粱的截面高度选用过小设计者往往只注意了对梁的强度和抗倾覆进行验算，而忽略了对梁挠度的验算。梁高选用过小，常引起梁截面的受压区应力过高，在正常使用状态下，梁截面受压区产生非线性徐变。梁挠度随时间的推移不断加大。挑梁的变形引起梁板出现裂缝，裂缝宽度随着挑梁变形的加大而加宽，影响了房屋的正常使用。据笔者观察，这种挑梁的变形发展到后期，梁支座截面上部受拉区常常出现较宽的竖向裂缝。受支座附近剪弯作用的影响，竖向裂缝向下延伸发展为斜裂缝，此时梁已接近破坏，当为托墙挑梁时，梁过大的挠度引起梁上墙体在梁支座附近出现裂缝。裂缝在梁支座处沿斜向延伸，梁缝愈靠上愈宽。总之，结构设计是个系统、全面的工作，需要扎实的理论知识功底，灵活创新的思维和严肃认真负责的工作态度。千里之行，始于足下。设计人员要从一个个基本的构件算起，做到知其所以然，深刻理解规范和规程的含义，并密切配合其它专业来进行设计，在工作中应事无巨细，善于反思和总结工作中的经验和教训。参考文献［1］侯力更主编．砌体结构设计［M］．中国计划出版社．2006.8．［2］张吉人．建筑结构设计施工质量控制［M］．中国建筑工业出版社檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪．2006.9．(上接第52页)虽然也是各层共用的，但是层数增加，传给基础的荷载将会增大，我们需要增大基础，这样单位面积的造价有所降低，但是却没有屋盖的效果那样明显。3．2提高建筑结构经济性建筑的层高增加，由于墙体面积和柱体积增加，结构的自重会增加，基础和柱的承载力相应增加，水卫和电气的管线会加长；相反降低层高，可节省材料，有利用抗震，同时建筑的总高度减小，两建筑之间的日照距离就会减小，间接的节约了用地。建筑面积相同，建筑使用不同的平面形状时，它的外墙周长也就会不同，这样当选择圆形或是越接近于方形时，外墙周长系数就越小，基础、外墙砌体、内外表面装修都随之减少，同时其受力性能也得到提高，增强了建筑的经济性能。优化方法的技术性实现，可以最合理的利用材料性能使建筑结构内部各单元得到最好的协调，不仅可以实现建筑美观、实用，而且在造价方面也有较大的节省，达到了建筑工程设计对适用、安全、经济、美观和便于施工的一般要求。通过使用优化设计手段，达到这5个方面的最佳结合，符合现今建筑商对于建筑结构的效益的需求，也符合市场可持续发展的需求。4结束语建筑结构的造价在建筑工程中占有较大的比例，结构设计优化技术的应用可以产生可观的经济效益。建筑设计部门和设计人员应严格遵守“经济、适用、合理”的设计原则，精心设计，应用现代化科技手段，选择合理的建筑结构设计方案，实现降低建筑工程造价并取得最大经济效益的目的。参考文献［1］张炳华．土建结构优化设计［M］．上海：同济大学出版社，2008∶34－36．［2］汪树玉．结构优化设计的现状与进展［J］．基建优化，2007∶12－3．·45

关于建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用探究

摘要:建筑作为固体艺术，是美观与结构以及设计共同作用的结果。对于居住性房屋的结构，在设计上要求适用经济、美观安全，在施工中，便于作业等，尽可能地提高空间的利用度，把有限的资源最大化地发掘出来，完成经济适用的目标。而设计上优化方法的应用，不但可以让造型的美感突出，又能在结构上注重安全，使得竣工后的建筑经济、合理，真正做到经济适用。

关键词：建筑结构设计、优化方法、房屋结构设计、应用

1 结构设计优化方法的理论体现

在从事项目设计过程中，不仅要考虑其美观实用，还要讲究安全可靠。也就是在突出其适用的同时，还要紧紧抓住美观这个环节，这就是结构的优化。这种优化的方法，站在建筑理论的角度，这种设计优化，分为项目分部结构和项目总体结构的优化等两个方面。而项目总体优化包括了系统方案的设计、围护结构方案以及结构的细部设计等。其中，也包括了选型、整体的结构布置、受力和造价分析等。因此，在项目施工过程中，要本着一切从实际出发为原则，结合现场实际情况，以效益为第一原则进行设计优化。

作为项目建筑师，必须在保证安全的前提下，进行设计优化。并且，对于一些新的模式以及结构，要敢于尝试。在设计时，建筑师，既要满足自己的设计意图，平面部分要对称、规则外，还要尽可能地缩小中心度的差异;纵向部分，要满足其使用功能，承重的部件要上下均匀贯通，尽可能减少设计上以及结构上的困难，纵向的刚度要循序渐进，避免应力过于集中。

2 建筑结构设计优化方法的应用及实践价值

2.1 结构设计优化方法的应用

结构设计优化，分为项目分部结构和项目总体结构的优化等两个方面。其中，分部结构优化包括了基础方案的优化、房盖系统的优化、围护部分的优化以及细部设计的优化等。以上部分也包含了造型、受力以及造价的分析等。并且在规范设计以及满足其使用功能的基础上，结合现场施工情况，争取最大化的经济效益。

2.2 结构设计优化方法的实践价值

建筑结构设计优化方法的研究与应用

【摘 要】一个建筑要达到精美的效果，设计师需要把其美观设计与结构设计紧密结合起来。在房屋结构设计中，要采取适用、经济、安全、便于施工和美观这五种效果措施。房屋结构设计中，应用建筑结构优化设计方法可以满足这一要求，保证建筑美观、造型优美，同时又能够便于房屋的施工，使房屋安全、经济、适用。

【关键词】建筑结构设计；优化方法；概念设计优化

一个建筑要达到精美的效果，设计师需要把其美观设计与结构设计紧密结合起来。为实现在有限的空间、有限的资源的情况下，发挥出最大效果，最终达到经济化、实用性和适用性的良好目标，在房屋结构设计中，要采取适用、经济、安全、便于施工和美观这五种效果措施。而在房屋结构设计中，应用建筑结构优化设计方法可以满足这一要求，保证建筑美观、造型优美，同时又能够便于房屋的施工，使房屋安全、经济、适用，从而真正成为“经济适用”房[1]。

一、结构设计优化方法的理论基础

在进行工程项目和结构设计的过程中，需要考虑的因素很多，最终目的是要在保证设计对象基本适用功能和安全可靠性的情况下，把设计对象设计到最好的程度。这就涉及到工程和结构最优化的问题。用科学的语言来描述就是：利用确定的数学方法，在所有可能的设计方案的集合中，搜索到能够满足预定目标的、最令人满意的方案[2]。 从建筑理论上分析结构设计优化方法可以得知，结构设计优化方法主要体现在两个方面，其一是房屋工程部分结构的优化设计，其二是房屋工程结构总体的优化设计。后者的优化设计包括：屋盖系统方案的优化设计、围护结构方案的优化设计和结构细部设计的优化设计。穿插其中的，还包含选型、布置、受力分析、造价分析等项目，在实施过程中，应遵循一定的原则，结合具体工程的实际情况，从实际出发，围绕房屋建筑的综合经济效益目标进行结构优化设计。

在设计安全被保证的情况下，建筑师应开拓创新，挑战新的结构形式。在建筑结构设计的过程中，建筑师的设计意图应能够得到基本满足，应设置尽量符合规则的平面布局，使其对称；同时减少质量中心和刚度中心的差异，使建筑物在水平荷载作用下不致于产生太大的扭转效应。在竖直方向的布置上，应确保在满足功能要求的情况下，尽最大可能贯通竖向的承重构件；为使结构分析和设计上的难度不致于太大，减少不必要的经济浪费，使应力分散，转化层应尽可能少地使用；竖直方向的刚度要渐变，而不要突变，如若不然，在水平荷载作用下，突变处会产生严重的应力集中现象，这是非常不利于结构抵抗水平动力荷载的[3]。

浅谈建筑结构设计优化方法的应用及实践价值

摘 要：建筑是凝固的艺术，建筑师总是希望通过建筑物表达自己的设计意图，力求艺术性和实用性的完美结合。

关键词：设计优化；结构设计；建筑结构

Abstract: Architecture is the art of the solidification, the architects always want

to express their design intent through the building, and strive to perfect combination

of artistry and practicality.Key words: design optimization; structural design; building

structure

1、建筑结构设计优化方法的应用及实践价值

1.1 结构设计优化方法的应用

结构设计优化方法和技术的应用具体体现在房屋工程结构总体的优化设计和房屋工程分部结构的优化设计两方面。其中房屋工程分部结构的优化设计包括：基础结构方案的优化设计、屋盖系统方案的优化设计、围护结构方案的优化设计和结构细部设计的优化设计。对以上几个方面的优化设计还包含选型、布置、受力分析、造价分析等内容，并应在满足设计规范和使用要求的前提下，结合具体工程的实际情况，围绕其综合经济效益的目标进行结构优化设计。

1.2 结构设计优化方法的实践价值

笔者认为，在满足建筑结构长远效益的前提下，应尽量减少建筑结构的近期投资并提高建筑结构的可靠度和合理性。与传统设计相比，采用设计优化技术可以使建筑工程造价降低5％～30％。优化技术的实现，可以最合理的利用材料的性能，使建筑结构内部各单元得到最好的协调，并具有建筑规范所规定的安全度。同时，它还可为建筑整体性方案设计进行合理的决策，优化技术是实现建筑设计的“适用、安全和经济”目标的有效途径。