建筑结构设计优化方法及应用探讨

建筑结构设计优化方法及应用探讨

叶金林,吴宏益

柳州市建筑设计科学研究院有限公司, 广西 柳州 545000

摘要：合理的结构设计优化对于建设项目的造价控制具有非常明显的效果。对具体项目设计优化的方向、要点及措施要进行详细研究，在保证工程结构安全的前提下尽量去除无效成本。结构设计优化首先应从前期相关资料的收集开始，尤其是了解邻近其他项目的地基及基础方案情况。结构设计师应在建筑方案阶段积极介入，在结构方案考虑上给出合理的建议，以免建筑方案确定后结构优化出现障碍。施工图阶段是结构优化的终端节点，应详细控制，以达到最终的优化目标。

关键字：建筑结构设计；优化方法；应用

1 引言

建设行业的不断发展，增大建筑工程建设规模，为获得预期建设效果，达到行业设定标准，就需注重建筑结构的设计与施工，增强建筑结构稳固性的同时可保障工程整体建设质量。但对当前建筑结构进行深入研究能够发现，仍存有较多问题，不利于建设作业的持续、安全推进。这就需要分析设计出针对性的问题处理方案，实现建筑结构的全面优化，为建筑工程高质量、高效率建设奠定良好基础。

2 房屋建筑结构优化设计概述

房屋建筑结构优化设计就是在目前建筑工程施工的基础上，将美学和艺术进行一定程度的结合，将房屋建筑建设得更好，在符合相关要求的同时，还能更好地满足当前人们对于住房的更高需求，在此基础上，还要减少成本的浪费，从而实现房屋建筑的安全性、实用性和美观性。在进行房屋建筑结构设计优化的过程中，要突破以往传统的建筑设计方式，根据社会发展的具体要求，结合先进的科学技术，制定完美合理的优化设计方案。要想使设计效果达到最佳状态，在完全符合现代设计理念的同时，还要全面把握整个房屋建筑结构整体设计的主要内容。最主要的就是从以下两个方面进行：第一，以房屋建筑结构作为需要维护的基本内容，对整个房屋建筑结构进行不断优化，就是做好整体结构的过程中再进行细节的改进和优化；第二，全面分析和了解房屋建筑过程中的细节，最主要的就是建筑的构造、主体结构、房屋结构、维护结构和整体的地基建筑，从而在最大程度上达到对整个房屋建筑结构的完美优化和改进程度。

3 建筑结构设计原则

3.1 合理性原则

在对建筑工程建设方案进行设计时，应注重建筑整体结构的设计，并满足工程所规定的一些基本要求：建筑结构需具备极强稳定性，能够起到保护、支撑建筑的作用。工程结构是否合理、稳定直接决定了工程安全性能的发挥效果，同时，也与工程质量息息相关。结构设计前，要求设计人员全方位分析建筑结构，依托于现场实际情况，组建专业勘察团队，获取工程周边的地质信息，以此为依据，着手于建筑结构的设计工作，确保初期结构设计、施工方案的可行性、科学性，与工程建设要求相符合，并达到行业规范标准。

3.2 完整性原则

建筑结构设计时，要求设计人员始终遵循完整性原则，站在全局性的角度对建筑结构整体进行分析，以此增强设计方案的完整性，避免设计缺陷的存在。当完成工程结构方案最终设计后，需深层次分析方案整体，重点关注相对薄弱的施工环节。同时，还需依照国家相关标准，结合工程结构与性能要求，对建筑结构进行严格审核，有助于建筑结构安全性能的进行一步提高，推动后续各施工环节高质量、高效率进行 。

3.3 高效性原则

建筑结构设计期间，应对建筑物有关设计图标加以明确，做好各项数据信息的收集与整理工作，为结构设计提供大量数据参考。同时，还需对所掌握信息进行分析，从中筛选出有价值数据，完成信息的分类，对于一些重点施工环节的图标应做好醒目标示。此外，设计人员需系统化、综合化地考量工程建设过程中可能遇到的施工难点，并预测各类施工风险，加以细致、深入分析导致风险发生的原因，制定相应的应急预案，增强建筑结构设计针对性、准确性的同时，可保证施工问题的第一时间解决，促使施工效率大幅提升。在良好结构设计方案的支撑下，可有效规避设计、施工环节误差问题的发生，以保证施工进度与质量。

4 建筑结构设计的优化方法

4.1 优化建筑结构设计流程

在建筑结构设计中，需要考虑的因素较多，建筑结构设计是指建筑承重构件的布置与计算，以及构件使用的材料、形状、大小及内部钢筋构造的工程图样的绘制工作，这是建筑各个施工阶段的重要依据。建筑结构设计的基本流程，目前广泛采用的应用流程为：首先，确定结构布置方案并在结构分析软件中计算通过后，根据计算结果在二维CAD中绘制构件的布置、尺寸及配筋。这种基于CAD的结构施工图设计方式存在不直观、错漏点较多、与其他专业协同性差等问题，二维图纸不能对施工进行准确的指导，造成施工图信息与算量信息割裂，越来越难以适应新的行业工作模式，因此，必须要采用新的建筑结构设计技术。

4.2 创建结构设计优化模型

建筑结构优化计算方案及优化设计模型在建筑结构优化设计中发挥着十分重要的作用。结构设计优化存在多个变量中，选择最为关键的参数，并以此为基础建立函数模型，得出最佳参数。在建立模型的过程中，首先要合理选择设计变量，这直接关系到模型建立的科学性与合理性，之后再确定目标函数，还要筛选满足函数条件的最优解后确定约束条件，如尺寸、强度、弹塑性和应力等要求。另外，设计人员务必保障约束条件均满足设计要求，进行编制优化设计方案，在计算过程中采取有效措施将约束条件变为非约束条件，促进设计优化工作的有序开展，还要全面考虑变量因素的影响，采取切实可行的计算方式，达到建筑结构优化设计的总体目标。最后，将程序直接导入计算机，后期计算中将数据输入系统，计算机在数据分析和计算后方可得出最终结果，以直观生动的方式展现给设计人员，但该过程需要具有计算机编程技术的专业人员才能实现，设计人员应该加强对设计软件计算原理的理解，灵活运用软件，对计算结果的可靠性进行判断。

4.3 优化组件布局设计

剪力墙结构、框架结构是建筑工程的重要组成部分，优化结构的过程就是对这些组件进行合理的优化和设计。在剪力墙结构的优化设计中，在保证剪力墙竖向刚度的同时，侧向刚度必须满足设计要求。此外，在设计时在控制剪力墙的数量和刚度，降低计算难度。框架梁采用宽而平的横梁，其可以降低断面高度，又能增加建筑物的净高，轴压比对框架柱的安全性至关重要，在上部轴力明确的情况下应对框架柱部分进行适当加固。

4.4 基础及地下室结构设计优化方法

基础及地下室楼盖的设计优化，应充分结合地基承载力、施工场地水位条件、地上覆土情况等。常用的基础及地下室楼盖选型方案优化如下：①进行桩基设计时，应充分结合灌注桩与预制桩的优缺点，一般预制桩承载力较低，造价较高，灌注桩反之。故裙楼基底压力较小部位采用预制桩，主楼部分采用灌注桩。②基础底板的设计时，筏板基础+柱墩与止水板+独基的基础方案比选应根据项目而定。一般而言，使用天然基础时采用筏板基础+柱墩更优，采用桩基基础且存在地下水位时，止水板+独基方案更优，止水板抗浮计算配筋远小于筏板基础，且构造厚度及最小配筋率要求均小于筏板基础。③住宅类地下室楼盖设计条件较为单一，多为覆土厚度控制并叠加消防车及人防荷载。经多轮方案比选，含钢量排序：单向次梁楼盖方案＜十字梁楼盖方案≈无梁楼盖＜井字梁楼盖方案。最后，基础及地下室楼盖的设计优化时应确保结构安全，避免出现由于结构体系优化而出现地下室开裂漏水等现象。

5 结束语

建筑结构优化技术在结构设计中的应用占有非常重要的地位，值得所有结构设计人员为之思考。结构设计的理论知识与结构计算分析软件相互融合，建筑结构实践问题也逐渐转变为数学最优解的计算问题。设计人员在学习结构计算理论知识的同时，也要一并学习应用更多的分析软件，提升工作效率，节约工作成本。

参考文献：

[1]陈昌钤.房屋建筑结构设计中优化技术应用探讨[J].河南建材,2019（4）：40-41.

[2]杨翠珠.建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用[J].科技展望,2015,25（35）：25.

[3]范国兴.建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用研究[J].鸡西大学学报,2014,14（8）：23-25.

[4]胡必伟.房屋结构设计中建筑结构设计优化方法的应用[J].工程技术研究,2017（7）：212-213.

[5]韦善良.某高层建筑结构设计及优化方法研究[D].青岛：中国石油大学（华东）,2015：55-56.