建筑结构优化设计分析

建筑结构优化设计分析

柏恺睿

悉地国际设计顾问（深圳）有限公司

摘要：建筑结构设计的优化主要体现在通过结构设计优化达到性能及经济的完美协调。不管对建设方或者居住者，都有着直接的影响。本文根据结构优化设计实例进行分析。

关键词：建筑结构；结构设计；优化方法

前言

结构设计优化技术所指的是建筑结构的设计过程中，设计人员会面临着各种各样的问题，比较成本、性能和建筑材料等问题。如何通过结构优化，从而达到利用最少的资金建设出合理科学的建筑结构。其优化的意义所在就是节省工程造价，提高建筑的质量。当前建筑结构的成本占比较重，合理科学的建筑结构可以产生巨大的经济效益，并还能够提高工程的质量。

1、建筑结构设计优化的步骤

1.1建立合理模型

可以通过3步来实现对房屋结构设计的优化，具体步骤是：第一步，需合理选择设计的变量。一般情况下，在选择合理的设计变量的时侯，应当将对建筑结构具有较大影响的因素做为主要设计变量的参数。例如，结构的造价C1与损失的期望C2等有关参数使目标控制产生较大的影响，以及诸如结构的可靠度PS等有关参数使约束控制产生较大的影响，这就需要对这些影响设计变量的参数进行合理选择。相反，对那些影响不大的因素，在进行优化的时侯可以采取预定参数的方式来表示，使让优化过程中的计算量、设计量和编制程序的工作量有所降低。第二步，需确立目标的函数。在采用建筑结构设计优化技术对房屋结构设计进行优化过程中，应当尽可能的寻找几组可以满足有关预定条件的截面相应的几何尺寸、钢筋的截面积以及相应的失效的概率的函数，让工程的造价费用有所减少。第三步，确定约束的条件。在采用建筑结构设计优化技术对房屋结构设计进行优化过程中，应当对结构的可靠性以及用来优化设计的有关约束条件做进一步确定。其中，设计优化的约束条件包含有结构体系约束、应力约束、构件单元约束、尺寸约束、结构强度约束、裂缝宽度约束等。在对房屋结构设计进行优化的时侯，必需充分将实际性约束条件和目标性约束条件作对比，然而保证每一个约束条件均可以满足需求，以便达到最佳的设计。

1.2设定计算方案

依照可靠性对房屋结构设计进行的优化也会出现非线性的优化问题以及多约束性的优化问题，并且还会使多变量复杂化。所以，为了减少这些问题需要在进行分析计算的时侯，将有约束的优化问题转化为没有约束的优化问题进行求解。常常采取的优化设计的计算方法是Powell法、复合形法和拉氏乘子法等3种方法。

1.3设计相关程序

依照可靠性对房屋结构设计优化的基本模型和选择的计算方法可以编写一个具有运算速度快以及功能齐全的综合应用程序，通过程序的优化提高设计的时效。

1.4作好结果分析

在对房屋结构设计进行优化设计的过程中，应当对最终得到的有关计算结果作一定的对比分析，以便为最终的优化设计方案提供科学、合理、有效的依据。而在这个过程当中就要求设计人员必需全面周密的考虑问题，只有这样才能够科学、合理、有效地选择设计的方案，才可以保证建筑结构的实用、经济、合理、安全以及美观，才能够尽可能少的资金投入获得最大的收益。尤其需要注意的是，在进行建筑结构优化设计的过程中，并不能够只一味的强调经济上的节约而降低了技术上标准；或者仅考虑技术上的要求却忽视了经济上的节约，这些都是不正确的。只有在众多因素中寻找最佳结合点，探索优化设计的平衡点，才能够达到有关设计要求。因此，必须做好结构的分析与运用。

2、某工程空心楼板优化设计的实例分析

2.1原方案

原设计方案板厚300mm，拟用空心管直径200mm。相邻空心管之间设一道肋，梁宽度60mm。肋梁区域受力钢筋上、下铁都为2Ф14（Ⅲ级钢），空心管区域受力钢筋上、下铁都为1Ф14（Ⅲ级钢）。板的分布钢筋上、下铁都为Ф8@300，在空心管上、下部与受力钢筋之间还分别配置Ф8@300的架立钢筋与限位钢筋。

图1KXB1原设计方案

2.2优化方案

优化方案采用清华大学专利技术“异型截面轻质材料填充预应力现浇板”（ZL02293406.5），空心板填充所用LPM轻质管是“一种带硬质加强层的轻质发泡材料填充件”（ZL200420077923.9）。LPM轻质管主体材料为聚苯泡沫，密度不低于15kg/立方米。

空心板厚仍300mm，所用轻质管尺寸为296x200mm；通过组合格栅将三根轻质管组合成一个单元，轻质管之间距离为56mm。板的分布钢筋上、下铁都为Ф10@200。因为轻质管的上、下表面都是一个平面，所以在轻质管与受力钢筋之间安装垫块即可满足规程的相关要求。

新方案的特点除了提高板的空心率降低结构自重外，用垫块代替架立与限位钢筋，大大减少了钢筋的用量。

图2KXB1优化方案

优化方案后，给施工也带来很大的方便，具体表现在以下几点：

①方便布置管线

本工程空心板中一些部位管线较多，有些管线无法保证一定能布置在实心肋中，有些管线不能走死弯。因此在空心管布置区域不可避免要布置一些管线。对于GRC类空心管，一般的作法是用小直径管代替，或者局部浇成实心区，这将导致结构空心率的下降。而采用轻质管可以在管上开槽让管线穿过，基本不降低结构空心率。

②方便堆放与现场运输

本工程施工作业面大，但是施工周转场地小，且工地位于自由大路，运送空心管的车只能半夜以后进场，不能随叫随到。为了不耽误施工进度，要求空心管提前进场，因场地限制，空心管不可能在运输通道上集中堆放，只能见缝插针找地方分散堆放，场内二次甚至三次运输不可避免。使用轻质管，不但运输工作强度大大降低，而且材料破损也大为减少。在垂直运输方面，塔吊运送轻质管的效率至少是运送GRC管的3倍，对于加快施工速度十分有益。

③减少现场作业工作量

根据以前的工程经验，绑扎空心板中的肋梁要消耗大量的时间与人工（一般占每层工期的1/5），将肋梁数量减少63%可以大大加快施工进度。

④方便施工

为了保证混凝土浇筑质量，根据规程中第7.3.10条规定“在浇筑混凝土前，对有吸水性的内模应浇水湿润。”GRC类管吸水率较大，需要在管上多浇水，而LPM轻质管吸水率几乎为零（一般为0.3%），不需专门浇水湿润。

经济性对比

对于业主而言，他们关注的除了结构的安全性和建筑物使用的舒适性外，最关心的莫过于结构的造价。一个方案若要导致造价增加，而建筑物的使用性能没有明显提高，业主一般都不会同意。

在本工程中，改变填充物截面形式和材料种类后，虽然填充物造价增加了，但是由于减少了混凝土和钢筋的用量，每平方米空心板的综合造价降低了（见表1），业主也从中受益。表1中取1平方米的空心板，进行两种方案的经济性对比。

表中各项材料价为包含所有取费及施工费的综合价。其中各项在材料价的基础上加30%的取费作为综合价。普通钢筋为材料价4000元/吨（即4.0元/kg，4.5x1.3=5.2），C40混凝土材料价为400元/m3（400x1.3=520）。直径200mm的空心管按15元/m计价，300x200mm轻质管综合价为36元/m。优化方案比原方案每平方米综合造价要降低34.57元。

3、结束语

建筑物不但是实用而且还要坚固美观，建筑结构设计优化是一个十分复杂且具有比较强的综合性的系统性问题，应用新的设计技术，能更好地实现建筑结构设计的目标，促进建筑结构向着经济化、科学化、多样化等方向发展。