建筑结构设计中结构设计优化技术的应用
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建筑结构设计中结构设计优化技术的应用
前言
对建筑结构的设计进行必要的优化，在对于房屋结构相关的设计中的应用意义重大，不仅能够满足了建筑的实用与美观，而且还可以有效地对工程造价进行控制。对于建筑商来说，其当然希望用最少的投资，而获得最大的收益，然而又必须对建筑结构的科学性、可靠性以及安全性做出保证，这必然要求对结构设计进行优化。
一、建筑结构优化设计的基本概念
根据优化设计理论原理，可将建筑结构优化设计定义为：对于已知的给定参数，通过相关理论、方法，找到这样一个设计变量，使其既能满足所有约束条件，又能使目标函数取得最小值。这里所谓的设计变量，指的是在设计过程中所选的描述结构特性的量，它们的量值可根据设计方案的不同取不同的值。这些设计变量所组成的维向量可用维空间的一个点来表示，称为“设计点”。在建筑结构优化设计中指的主要是：
设计截面的几何参数，如各个构件的截面尺寸、面积和惯性矩等。结构总体的几何参数，如柱的高度、梁的间距、拱的矢高和节点坐标等。虽然设计变量所涉及的内容可能有很多，但总体可分为连续型和离散型2种类型。前者在优化过程中的变化是连续的，如拱的矢高和节点坐标等；而后者的变化则是跳跃性的，如备选的型钢截面面积或钢筋直径等。结构优化设计的目标函数是指用来衡量一个设计的好坏，从而在不同设计方案之间进行比较的指标，它是设计变量的函数。目标函数的选取建立在结构本身的技术经济特性基础之上，目前应用较多的目标函数主要是结构造价、结构重量和结构体积2种。约束条件则指的是在优化过程中需要满足的硬性规定，即无论采用何种设计方案都需满足的一些要求，离开了这些条件，优化设计也就无从谈起。建筑结构优化设计中采用的约束条件主要是几何约束条件和性态约束条件。前者从几何尺寸方面来限制设计变量，如要求工字型截面的翼缘和腹板的最小厚度；后者则限制结构的工作性态，如构件的强度和刚度、结构的整体稳定性等。满足所有“约束”的设计点称为“可用设计”，代表所有可用设计的那些设计点形成维空间的一个子域，称为“可用域”（又称为可行域）。所谓结构优化设计就是用一些力学和数学的方法，在可用域搜索目标函数最小（或最大）的所谓最优点，也就是最优设计方案。 从理论上讲，根据结构设计变量的层次的不同，可将建筑结构优化设计分为截面尺寸的优化设计，结构几何形状的优化设计，结构的拓扑优化设计（如给定一个杆系结构的节点布置，要求确定哪些节点之间应有杆件连接），结构类型优化设计（如将一组荷载传递到支座，可以由梁、桁架和拱等不同类型结构进行优选）等几种。这几种优化设计的设计变量层次是逐渐提高的，所得到的结构的优化效果也逐级增强，但与之相应的优化设计的难度和工作量大小也逐级增大。因此，应根据优化的目标不同，在优化变量和优化代价中寻求一个合适的平衡点。
二、在房屋建筑领域，结构设计优化方式的具体应用
1、房屋建筑的整体性与局部性优化
建筑在设计上都具备着相应的层次性和复杂性的特点。从层次性角度讲，包含着建筑的整体设计体系、结构相关体系、安装体系等，每一个单独的体系又包含了众多的下属体系。在对房屋进行设计时，设计者要对每一个下属系统地进行相应的优化，冲破关联的横向性，实现叠加型工程； 对于复杂性来讲，主要包含选取建筑的材料、选取建筑的零部件等。因此在进行结构优化时要从整体入手，才能真正实现整体的设计优化。
2、建筑寿命优化与阶段性优化。
在工程的使用年限内，对每一阶段都要进行相应的方案优化。房屋的设计者要考察各个阶段的特点，根据实际结果进行优化方式的确定，从而可以对工程的整体寿命进行科学的优化。这样，既保证了建筑质量，又提高了建筑企业的经济效益。
3、桩基础的具体优化
建筑中的桩基础能够分为灌注桩和预制桩。灌注桩在整体施工时的质量较为难控制，而且操作的技巧复杂，时间还较长。因此在沉降符合标准的前提下，要加入预制桩的施工，从而减少相应的工序。而且要注意，在伴随着桩基不断加深，土壤本身对装机的摩擦逐渐增大，务必要选择较长的预制桩。
4、对建筑主体上部结构进行的科学性优化
房屋建筑的上部结构设计应当建立相应的模型并进行系统的优化。整个过程最先一步就应当合理地设置剪力墙，保证剪力墙整体的质量是均匀的，这样能将楼层中平面刚度的中心点重合于楼层整体的结构重心，从而减少地震或者风力等对其的破坏性。在房屋建设时，如果条件允许，要尽可能地对剪力墙进行大开间的构造，加长剪力墙的墙肢长度，这样就能减少墙肢的数量，还能在符合标准的基础上减少混凝土的使用。
5、结构优化与建筑优化保持协调。
对于结构的设计要保证建筑的整体结构与整体平面紧密配合，这样能实现建筑本身的美观与结构的相应合理性的效果。对于建筑系统来讲要保证简洁，墙体与支柱不能有错位的现象，高度要与截面的面积相通。在楼体设计时，自身受力较多的转角区域，要选择高强建材做为承重的材料，从而能够更好地降低自重。对于整体来讲要保证重心、刚心、质心三者正确交叠，防止扭转的状况出现。
6、结构优化与排水系统优化保持协调
在房屋建筑中排水系统的专用房间里有着很多的机械设备，对于荷载能力、荷载强度较大。所以要将其设置在地下室，而且保证管道的预留尺寸与预留深度要符合相应标准，对于楼板本身的钻孔位置要加固。另外，要注意水平方向的管线可能会贯穿柱或梁的情况，要尽可能降低这种现象发生的机率。如果管道在建设时穿过了承重墙，就必须对墙体进行加固。在整体上尽可能地保证结构的设置与管道网相协调，预防管道出现绕柱或绕梁的现象。
7、结构优化与电气优化保持协调
电气管线的安装是以导线的形式装在金属管体的外部或者墙体、楼板的地方。这样安装有可能给预制的结构施工造成相对的困难。所以要注意，如果想要管线穿过梁体，要提前在梁体上预留相应的孔洞，并且要保证梁体的宽度与相应的墙体的宽度相同。如果出现不相同的情况，就必须让墙体的一面与梁体的一面相齐，保证管线不得漏在墙体的表面。在整个房屋的建筑上，电梯部分肯定会有很多的空洞，埋下的建筑构件较多，这样就要求设计者应该单独对电梯部分的建筑进行分析与计算，保证设计的合理性与安全性，确保施工的质量是过关的。
结束语
总之，对房屋结构的设计进行优化有着最基本的目的，就是保证建筑本身的功能，提高建筑主体的质量，提升建筑的环保能力，增加建筑企业的经济收益。如果要想达到这样的一个目标，就需要房屋建筑的设计者积极提高自我的知识水平，要在原有的基础上开拓创新，主动为人民居住的房屋提供安全性的保障。
参考文献 [1]孙有果.结构设计优化技术在房屋结构设计中的具体应用探讨[J].科技致富向导，2011，（08）
