如何做结构设计优化

结构设计优化方法简介

1．简单解法 当优化问题的变量较少时，可用下列简单解法。

（1）图解法。在设计空间中作出可行域和目标函数等值面，再从图形上找出既在可行域内（或其边界内），又使目标函数值最小的设计点的位置。

（2）解析法。当问题比较简单时，可用解析法求解。

2．准则法

准则法是从工程和力学观点出发，提出结构达到优化设计时应满足的某些准则（如同步失效准则、满应力准则、能量准则等），然后用迭代的方法求出满足这些准则的解。该方法的主要特点是收敛快，重分析次数与设计变量数目无直接关系，计算量不大，但适用有局限性，主要适用于结构布局及几何形状已定的情况。尽管准则法有它的缺点，但从工程应用的角度来看，它比较方便，习惯上易于接受，优点仍是主要的。最简单的准则法有同步失效准则法和满应力准则法。

（1）同步失效准则法。其基本思想可概括为：在荷载作用下，能使所有可能发生的破坏模式同时实现的结构是最优的结构。同步失效准则设计有许多明显的缺点。由于要用解析表达式进行代数运算，同步失效设计只能用来处理非常简单的元件优化；当约束数大于设计变量数时，必须设法确定那些破坏模式应当同时发生才给出最优设计，这通常是一件十分困难的工作；当约束数和设计变量数相等时，并不能保证这样求得的解是最优解。

（2）满应力准则法。该法认为充分发挥材料强度的潜力，可以算是结构优化的一个标志，以杆件满应力作为优化设计的准则。这一方法在杆件系统如桁架的优化设计中用得较多。在此基础上又发展了与射线步结合的齿行法以及框架等复杂结构的满应力设计。

3．数学规划法

将结构优化问题归纳为一个数学规划问题，然后用数学规划法来求解。结构优化中常用的数学规划方法是非线性规划，有时也用线性规划，特殊情况可能用到动态规划、几何规划、整数规划或随机规划等。

（1）线性规划。当目标函数和约束方程都是设计变量的线性函数时，称为线性规划问题。该类问题的解法比较成熟，其中常用的解法是单纯形法。

办公楼结构设计的难点及优化方法

办公楼是现代城市中重要的建筑类型之一，对其结构设计的要求也较高。下面将讨论办公楼结构设计的难点及优化方法。

一、办公楼结构设计的难点

1.大跨度设计要求：办公楼一般要求大跨度的空间，在结构设计中，如何保障大跨度结构的稳定性和承载力是一个难点。此外，大跨度结构还需要考虑结构的振动、变形以及地震等因素。

2.竖向荷载和水平荷载的不平衡：办公楼通常存在室内外荷载不平衡的情况，例如办公家具、人员活动等造成的竖向荷载和风荷载等。在结构设计中，如何将荷载合理分配，保证办公楼结构的稳定性和安全性是一个难点。

3.办公楼结构与办公功能的一致性：办公楼的结构设计需要满足其办公功能的需求，如办公室、会议室、休息区等设计要求。在设计过程中，需要考虑不同功能空间的结构要求和使用者的舒适度，保证结构与办公功能的一致性是难点之一

4.结构施工对办公环境的影响：办公楼结构施工过程中产生的噪音、灰尘、振动等不可避免地会对办公楼的使用环境造成一定的影响。因此，在结构设计中需要考虑如何减小施工对办公环境的影响。

二、办公楼结构设计的优化方法

1.多学科协同设计：办公楼的结构设计需要多个学科的协同合作，包括结构工程师、建筑师、机电工程师等。通过多学科的协同设计，可以综合考虑不同学科的要求，减小结构设计的难度。 2.结构优化设计：通过结构优化设计，可以在满足结构安全和稳定性的前提下，减小结构的材料消耗和构件数量，降低建筑成本。结构优化设计可以通过使用优化算法和计算机模拟等方法实现。

3.结构模拟分析：在设计过程中，可以使用结构模拟分析软件对结构进行力学性能分析，预测结构在不同荷载下的变形和振动情况。通过结构模拟分析，可以评估结构的强度和刚度，指导优化设计。

4.环境友好的施工技术：选择环境友好的施工技术，减小施工对办公环境的影响。例如，采用低噪音、低振动的施工设备，控制噪音和灰尘的扩散等。

5.新材料的应用：办公楼结构设计可以考虑新材料的应用，如高强度混凝土、玻璃纤维增强复合材料等。新材料的应用可以减小结构自重、提高结构的抗震性能，同时也有利于降低建筑成本。

1 结构设计优化

1.作业目的

结构设计是工程设计中降本潜力最大的一个环节，目前在设计单位还没有全面推行限额设计的情况下，开发单位只能依靠限定技术指标，要求多方案比较和专家评审等的办法，促进设计单位精心设计，使结构设计在保证安全和耐久使用的前提下，达到最经济合理的效果。设计优化工作可以推广应用到规划，建筑，环境，设备，施工技术措施等的设计管理环节上。

2.主管岗位 总工程师：指导结构设计的优化工作，并对其合理性和经济性负责。

主办岗位 土建设计管理：收集资料，组织研讨会的会务工作，督办设计的优化修改。

3.紧前工作条件

扩初设计的建筑和配套评审已通过。尚未进入施工图设计阶段。

4.作业描述：

4.1在签订设计委托合同时，应将扩初设计或施工图设计质量要求单列成合同条款，如：基础以上的结构设计中，混凝土单方折算厚度和钢材的单方耗用量，必须满足在限额以下的要求；桩基础必须有2～3套方案的技术经济指标的比较；结构计算必须采用至少两种计算机程序的相互校核；必须承诺向甲方公开计算假定条件和计算机输入输出的数据等。

4.2召开结构设计优化研讨会

4.2.1会前的准备工作

设计单位完成多方案的计算比较，并已形成倾向性意见；本公司内部的技术主管如总工程师已组织内部智囊团进行研究，掌握了主要的研讨议题，并收集了相近类型建筑的有关资料，做到了心中有底；聘请公司外的结构专家3～4名已通知落实，确保能准时参加。

4.2.2研讨会出席对象

本公司人员：总工程师，土建设计管理，承担过类似工程建设的项目经理或现场土建工程师。并指定专人做好记录和负责编制会议纪要。

本项目设计单位人员：室主任，项目设计总负责人，结构工种负责人，结构设计人。

外聘专家：3～4名。

4.2.3 会议主持人

本公司组织的研讨会由总工程师主持。为使专家意见更具权威性，也可委托房地局科技委，市建委科技委或市科委等科技协会组织，会议由专家推选的组长主持。

结构设计的难点及优化方法措施

1、结构设计体系及难点分析

1.1、结构布置及结构体系

本项目主楼采用框架-剪力墙结构体系，结合建筑平面布置，剪力墙主要布置在楼电梯间等交通核处，以减少对建筑功能的影响。建筑立面呈外倾趋势，圆弧外圈从5层起向外悬挑，以上各层悬挑长度以800mm递增。在满足建筑功能和使用要求的前提下，确定采用斜柱解决建筑外倾问题，结构标准长度为180m，宽度为25m，结构长宽比为7.2。

1.2、设计和技术难点分析

（1）平面不规则：结构长宽比达到7.2，大于规范限值6.0。

（2）扭转不规则：由于结构长宽比较大，且上部楼层向外倾斜，导致结构的扭转效应明显，扭转位移比大于1.2。

（3）斜柱和穿层柱：为了避免结构对建筑房间功能的影响，扇形外圈框架借助建筑外倾的立面造型，采用了向外倾斜的斜框架结构，倾斜角度约为12°。

（4）平面超长：4号楼平面长度为180m，属于平面超长结构。

1.3、优化方法措施

（1）控制结构扭转效应。在结构布置时，采用了开大洞短墙肢和弱连梁等形式适当弱化中间两个核心筒的刚度，减小中间结构刚度，减少扭转的不利影响。 （2）控制开洞处楼板和与斜柱相连楼板的拉应力水平，保证楼板刚度，采取加强配筋等措施。

（3）平面中存在较多的斜柱，导致结构倾覆作用增大，斜柱在竖向力作用下产生较大的附加弯矩，在设计中需要考虑这些不利影响。

（4）超长平面需要考虑温度效应对结构的影响，设计中考虑升温和降温两种工况，将温度效应与恒、活荷载进行组合。

2、结构计算与结果分析

（1）根据结构抗震性能要求，对底部加强部位剪力墙进行了详细的分析，主要分析内容为：在设防烈度地震作用下，需满足抗剪不屈服。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3―2010）中3.11.3条要求，对相应结构部位剪力墙的抗剪承载力和正截面抗弯承载力进行了验算。

（2）设防烈度地震不屈服验算时荷载组合系数均取1.0，地震荷载不与风荷载组合，不考虑与抗震等级相关的调整系数，承载力计算时根据实配钢筋和材料强度标准值计算墙肢的实际承载力，底层周边墙肢抗剪承载比验算结果见表1。