浅析建筑结构优化设计

【摘要】随着我国经济的发展迅猛，人们对建筑的要求也不断的提高，在建筑设计的过程中，不仅仅要注重建筑的质量和功能的形成，还应该在此基础上实现建筑的成本节约和空间优化，以更好的现有的资源，发挥最大的使用功效。而这一切都要靠相关的结构设计优化来实现。因此，作者针对建筑结构设计优化的方法进行分析。

【关键词】建筑结构；结构设计；优化方法

建筑结构设计优化技术是一门结构工程与运筹学、经济学和管理科学交叉的学科技术。作为一个建筑结构设计者来说，设计时总会产生一个能找出最好方案即优化的愿望。从二十世纪初开始就不断有人对此作过一些努力，但收效都不是太大。主要原因是：一方面受到数学、力学发展水平的影响，更主要的是受到计算手段的限制，因此，优化设计这门学科只有到了二十世纪九十年代初期，随着我国科技的进步，电子计算机在结构设计中得到较广泛应用以后，才迅速发展起来.特别是近代数字计算机软硬件的飞速发展，为结构优化的实现提供了前所未有的物质条件；有限元的发展为结构优化提供可靠、强大的分析手段，以及的数值计算方法、仿生学方法等的发展极大地丰富了结构优化的理论。这些都为现代的结构优化设计的巨大发展拓宽了令人兴奋的道路。到目前为止，现代结构设计的优化技术有直觉优化、试验优化、经济分析比较优化、优化准则法优化、数学规划法优化、仿生学方法优化、系统优化、模糊优化与灰色优化、自动优化、智能优化等等。下面文中笔者就建筑结构设计的具体方式及优化的功用进行简要阐述，并对建筑结构设计优化方法做出分析。

一、优化建筑结构设计的具体方式

随着我国的建筑业的不断发展，各种建筑项目的增多，我们看到现代建筑开始以各种各样的造型呈现出来。通过不同的造型设计可以带给人们不同的审美感受，并且也可以实现对建筑内涵的表达。因此，这是一种建筑结构设计同施工设计的完美结合。目前来看，评价一个建筑

结构设计的标准主要有以下几个方面：首先，要保证用户的使用安全，其次，要保证建筑形成过程中的经济性，也就是合理的成本控制和管理，再次，要保证建筑物可以达到和满足相关的使用需要，即适用性，再者，还要保证建筑结构的整体形式大的美观，最后，建筑结构设计要

利于施工的执行和操作。所以，由此可以得出，具体的落实现阶段的建筑结构的优化的方式有以下几种：第一，要加强对现有的建筑的优化方案的设计，即在施工之前，要充分的考虑各种施工因素，对现有的建筑需求进行全面的分析，从而得出一个合理化的设计方案。设计对于整个工程的质量形成的影响是非常大的，大约占百分之七十左右，尤其是成本控制方面，也主要是通过设计阶段来实现的。在对现有的建筑结构进行方案的确定前，要对各种细节设计进行管理，即对建筑的布局进行单项的分析和整合。第二，对建筑的优化阶段进行一定的预算编制，即在设计的过程中，采用合理的计算方式对现有的各种设计项目进行一个全面的线性优化。通过对会计活动中的各种方式和算法的运用，对现有的方案进行一个全面的计算和评估，选择合理的设计预算，可以有效的控制建筑成本，也就实现了对现有的建筑结构设计的优化。

二、建筑结构设计优化的的功用

1、降低总造价

进行结构优化设计中，多层住宅和高层住宅相比较，层数越多，总建筑面积增大，单位建筑面积占用的土地面积就越小，节约了用地成本，但建筑层数的增多，建筑总高度也会加大，楼与楼之间的间距 也要加大，这时占用的土地节约量就不与建筑层数增加比例相同了。对于基础部分而言，虽然也是各层共用的，但是层数增加，传给基础的荷载将会增大，我们需要增大基础，这样单位面积的造价有所降低，但是却没有屋盖的效果那样明显。

2、提高建筑结构经济性

高层建筑的建设成本成了不得不考虑的重要因素，对应的结构成本更是严格控制。一个设计人员在保证建筑质量的基础上，采用合理的计算模型、计算参数、设计荷载、构造措施及合理的计算指标是达到经济合理含钢量的重要途径，应认真结合规范和具体工程情况进行选择，并依据规范和结构概念合理使用计算结果进行设计，必要时采用手算复核。现笔者以某高层建筑物工程两种状态下结构计算结果加以比较说明。建筑物的结构技术指标及钢量指标如表 1 所示。

从上表可以看出同等情况下的结构，精细化设计砼用量节省26.4%、钢筋含量比重最大的竖向构件砼用量少用37.8%、结构质量减轻12.5%、周期变长22%（在满足变形的条件下，尽量采用长周期结构刚度越小，地震力就越小）、地震剪力减小20%、含钢量节省约18%。因此只要设计人员能够合理布置结构设计方案，把工作做得更精细化，可节省不少用钢量和砼用量。有关资料表明，合理的设计可以降低工程总造价的5%～10%，甚至15%。

笔者通过分析认为如何更好的控制含钢量还应该做好以下几点：1）利用相关井道形成的剪力墙，进行合理的竖向部件布置，做到分配合理有效，减小单位面积的用钢量。在楼盖的布置过程中，增大板跨，也可以达到相应的效果。2）控制含钢量的最直接的方法就是减少钢筋的使用。高层建筑过程中可可以采用适当的砼强度等级。3）合理计算参数，在满足规范要求和指标的基础上减少用钢量。在设计高层建筑的过程中，又不少的参数是由设计者自己制定的。透彻的理解《抗规》、《高规》、《高规补充规定》中各种参数的含义，合理的配置钢筋，直接影响着含钢量。4）在对高层建筑的柱体进行设计时，柱体的含钢量对于整个建筑物的含钢量具有重大的“贡献”，所以控制柱体的含钢量就能有效的控制建筑物的含钢量。

三、建筑结构优化方法

1、并行算法

由于高层建筑结构的主要因素是结构的抵抗水平力的性能。因此，抗侧移性能的强弱成为高层建筑结构设计的关键因素，且是衡量建筑结构安全性、稳定性能的标准。

由于在建筑结构中，单位建筑结构面积的结构材料中，用于承担重力荷载的结构材料用量与房屋的层数近似成正比例线性关系。此外，用于建筑结构楼顶的结构材料用量几乎是定值，不随结构的层数变化；但是用于墙、柱等结构构件的材料用量随楼房的层数成线性正比例增加 ；而对于抵抗侧向移动的结构材料用量，与楼房结构层数的二次方的关系增长。

2、可靠度优化法

在非地震灾害区高层建筑结构的方案选型时，应优先选用抗风性能比较好的结构体系，也就是选用风压体型系数较小的建筑结构体系。比如结构外形呈曲线流线型变化的建筑结构圆形、椭圆形等，或是结构从下往上逐渐减小的截锥形体系的风压体形系数较小，有利于很好地抗风。此外，在对结构进行平面布置时，适合选取结构平面形状和结构刚度分布均匀对称的结构体系类型，这样可以在很大程度上减小风荷载作用下的扭转效应引起的结构变形和内力的影响。

3、高层体系优化法

由于建筑使用性能的不同，所以其对内部空间的要求不同。同时，高层建筑结构使用功能不同，则其平面布置也发生改变。通常，住宅和旅馆的客房等宜采用小空间平面布置方案；办公楼则适合采用大小空间均有；商场、饭店、展览厅以及工厂厂房等则适宜采用大空间的的平面布置；宴会厅、舞厅则要求结构内部没有柱子的大空间。由于不同的结构体系可以提供的内部空间的大小不同，因此，在建筑结构设计阶段，应该首先根据建筑结构的使用功能，选用合适的结构类型。

结束语

综上所述，结构设计优化技术的应用可以产生可观的经济效益。建筑设计部门和设计人员应严格遵守“经济、适用、合理”的设计原则，精心设计，应用现代化科技手段，选择合理的建筑结构设计方案，实现降低建筑工程造价并取得最大经济效益的目的。