结构优化设计技术在房屋结构设计中的应用

结构优化设计技术在房屋结构设计中的应用

张晓蒙1王志勐2

山东省纺织设计院山东济南250013

【摘要】结构优化设计是指将结构分析和最优化原理加以综合，其过程大致是假设-分析-搜索-最优设计。搜索过程即进行修改设计的过程，这种修改不同于过去设计者所采取的经验判断修正，代之以一定的优化方法使设计方案达到“最优”，这一过程是一种主动的、有规划的搜索过程，并以得到最优目标为满足。

【关键词】结构优化；房屋结构；意义；步骤；应用

引言

同一个建筑物往往有不同的选择方案，不同的方案设计则会使工程的总体造价，工程工期，工程质量有很大区别。在很大程度上，建筑物机构设计的成败甚至说一个项目的好坏由建筑物结构的优化所决定。换而言之，结构优化设计是否合理至关重要。在建筑结构优化上设计人员应正确理解并运用好相关规范要求，充分了解建筑物特点，利用好地理优势和建筑资源，详细比对建筑方案选择最优方案，严格把控选择建筑材料，把建筑结构优化落在实处细处，打造精品建筑工程。

一、结构优化设计的意义

根据工程经验建筑工程成本大部分来源于建筑物结构成本。现代建筑物的体量、建筑规模及建筑体型的多样性，使得建筑结构设计本身的难度不断加大，且在结构设计中本身不存在“唯一解”，选择不同的结构体系可能对建筑物的安全性和经济性带来很大的影响。加之现代结构设计软件功能不断增多，禁锢了结构设计人员的主观设计思维，许多结构设计人员在对建筑结构予以优化设计时往往没有充分考虑实际工程的地质情况、施工难度及工程进度等诸多其它因素，致使工程造价过高，或是未能很好的因地制宜利用有利的地质条件等造成了不必要的浪费。为此，合理的进行建筑结构优化设计便显得尤为重要。

二、结构设计优化的基本步骤

通常在对设计变量进行选择时，我们把对建筑结构影响的主要参数作为设计变量。如目标控制的相关参数（损失的期望C2和结构的造价C1）和约束控制相关参数（结构的可靠度PS）等；然而还有一些影响不是太大其变化范围也不是很大或者由局部性以及结构的相关要求就能够满足相应的设计要求的一些参数，我们可以用预定参数来表示这样能够使得我们的设计量、计算量以及编制程序的工作量均大大减小。在进行结构设计优化的时候，我们还必须寻找一组能够满足相关的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使得工程造价最少。对于房屋的结构的设计优化来说，必须确保结构的可靠度，来对优化设计相关的约束条件进行相应的确定，设计优化的约束条件主要包括裂缝宽度约束、结构强度约束、尺寸约束、构件单元约束、应力约束、结构体系约束、从可靠指标约束到确定性约束条件以及从正常使用极限状态下的弹性约束到最终极限状态的弹塑性约束等约束条件。在进行结构设计的时候确保每个约束条件都必须满足相关要求，以实现最佳的设计。在设计过程中必须对细部的结构进行相应的设计优化，例如在现浇的混凝土异形的板料，其拐弯处容易开裂我们可以简化成矩形板然后再合理的选择钢筋在满足其结构的基本要求条件下，达到既安全又经济的目的。

三、结构优化设计技术在房屋结构设计中的应用

1、初期方案和抗震设计优化

对于建筑结构来说，前期方案的确定直接影响到最终建筑的成本投资，而目前的市场情况是前期的方案设计部分不参与结构优化设计，而且在前期的建筑方案设计中，很多没有考虑到主体结构的分析或者对于部分分析不到位、不精准，作为一个合格的结构设计人，应该依靠自身所具备的结构概念去布置结构方案，结合建筑空间结构和结构模型概念以及函数模型来进行方案设计。因为运用概念设计方法，在初期方案的设计中，可以根据简单的函数模型，估算出构件的截面面积。建筑结构优化还要考虑最为重要的一点，就是建筑的抗震性，在建筑抗震设计过程中，大多数建筑结构的优化设计主要按照概念设计进行工作，而软件计算并不是建筑结构优化的主要依据，建筑的使用过程中，抗震效果是居民考虑的一个重要问题，尤其在地震多发地带，由此看来，建筑物的耐久性、安全性、功能性是建筑结构设计的三个重点内容，在节约成本以及达到规定年限的前提下，满足抗震功能是重中之重。

2、结构的形态优化

建筑结构设计过程中往往会因为考虑建筑物的立平面布局造型和内部空间布置而影响建筑结构，造成建筑结构的空虚不合理和空间结构的不搭配与浪费。在常见的结构形态中，平面形态较规则、凹凸态较少的建筑结构用材用钢量就少。在层面面积相同或者相近但外墙长度不一的建筑物结构中，其建筑外墙的长度越大，则其用钢量越多。在建筑物结构中决定用钢量多少的是平面形态是否规则。平面的规则程度也是衡量建筑物结构抗震性能的重要依据。而在超长建筑结构中由于需要考虑混凝土的收缩性与温度应力所以需要充分考虑荷载应力对超长结构体的影响，考虑设计的单位用钢量也较大。为了保证结构的整体稳定并控制结构的侧向位移，在进行构建高层建筑结构中高宽比大的结构时，应充分考虑，设计较刚强的抗侧力构件来提高结构的侧向刚度。

3、结构计算优化

结构计算优化要注意以下几方面问题：第一建筑结构底部剪力法。主要适用于建筑结构刚度较为均匀的多层设计结构，以实现对结构的整体加强。但是，这种剪力法在较为薄弱的底层框架结构中应用效果不佳，一般会产生一定程度的塑性形变，导致建筑结构稳定性降低。第二底框框架结构，要采取双保险的方式进行设计，降低其承重量，按照相关要求，进行双保险结构设计，对抗震墙的弹性刚度进行折减，提高其倾覆力矩产生的附加力。

4、基础优化设计

在结构造价中，占据比重最大的是基础造价，其决定了整个工程造价。在设计建筑基础时，要恰当选择建筑基础类型。通常情况下，底层建筑较多应用浅埋天然基础，而高层建筑较多应用沉降控制符合基础。对于深埋独立地下室，可考虑采用补偿式基础。在进行地下室设置时，要充分比较并验证地下室的桩型、埋深、底板结构形式、顶板结构形式、抗浮水位、基坑围护以及侧墙设计等问题，同时要尽可能的降低工程造价。

5、上部结构优化

要想模型建立与优化房屋建筑的上部结构，首先就要对剪力墙进行合理的布设，对剪力墙的质量均匀予以有效保证。这样，楼层的结构重心便能同楼层的平面刚度中心点实现重合，从而有效地削减了风力以及地震等外部荷载作用的扭转影响。如果房屋的类型允许的话，那么可以尽量使用大开间的剪力墙构造，并对剪力墙的墙肢长进行增加。这样做，不仅可以有效地对墙肢的数量进行缩减，还可以确保刚度能够与相关标准相符合，并以此作为前提与基础，有效地降低混凝土的使用数量。此外，因为剪力墙中的暗柱通常采用的都是钢筋建材，通过大开间的剪力墙构造应用，是可以有效缩减钢筋的使用数量。

结语

综上所述，房屋的建设本身就是一个复杂的工程，对于房屋建筑工程结构的优化设计更是涉及到很多因素的工作，需要严格按施工方案进行，严格的遵循每一个工序的实行，使得房屋建筑结构整体得到优化。在优化的过程中要时刻考虑到安全性、经济性、环保性和功能性的特点，合理的分析和计算其中涉及到的数据，使得房屋建筑结构得到最终的优化。现在人们对房屋追求的提升，也使得房屋建设的发展速度加快，因此我们需要加强优化研究，使现在的房屋建筑结构更加的优化。

参考文献

【1】徐金苗.建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用[J].江西建材，2014，18：37.

【2】黄立胜.现代房屋建筑结构的优化设计研究[J].中国新技术新产品，2014，09：69.