浅谈建筑结构优化设计

程家魁

摘要：在民用以及工业建筑中，对于建筑结构的优化设计一直是建筑师和结构师共同追求的目标，建筑师和结构师在从事建筑工程项目设计时，总是希望通过现有技术手段，在满足一定客观条件和使用要求的同时，达到经济、安全、美观、符合使用要求的最佳方案。

关键词：结构设计；优化设计；数学模型；优化措施；优化计算

中图分类号：TU3文献标识码： A

一、概述

对工业与民用建工程项目进行优化，能够使方案达到最佳的一系列数学方法称为最佳优化方法，当这些优化方法应用到工程实际中去的时候就称为优化技术。建筑结构的优化设计一般而言会分成狭义和广义两个方向。从狭义上来说，优化设计就是减少钢筋和混凝土用量的问题，但是如果仅仅是在结构设计过程中将钢筋抽掉，减少混凝土用量，有时这样做就会降低了结构的安全储备，并没有达到想要的优化设计目的，也就是说这并不一定科学。而另一个方向从广义上讲，结构优化设计就不仅包含对于结构设计本身的一种不必要冗杂配筋和混凝土的去除，还包括建筑的其他各个方面，比如舒适性、建筑容积率、建筑空间利用效率、建筑节能性等各个方面。

结构设计的最优化问题其实一直伴随着建筑史的发展而发展，进入现代社会之后，开始利用数学概念对建筑结构进行优化。结构设计的近代优化设计大体上可以分为三个阶段。

第一，将整个建筑工程建立成一个数学模型。

第二，通过寻找一个合理高效的数学计算方法对建筑结构进行优化设计。

第三，利用计算机软件编程技术，编制出一套符合客观实际的计算程序，对整个结构进行全数字化处理。

利用这些数学方法，一定会给出一个在已知且给定条件下的最优解，而且这个解通常更注重节省造价方面的最优解。但需要注意的是，通过数学方法计算出的这个结果还要深入分析它是不是最符合工程条件的合理解，因为建筑工程的结构设计是一项非常复杂的内容，还要考虑它是否满足建筑的安全、美观、使用要求、节能要求等。在利用数学方法进行解析计算时，往往是侧重考虑其中的一些起到主要作用的因素，而忽略掉一些客观因素的影响，如若放到真正结构设计中，就要通过自己的分析，将这些客观因素融入到设计中。也就是说，在利用数学方法计算得出最优解时，还要根据自己的全面判断，对其进行一些必要的修改。

二、结构优化设计步骤

（一）优化结构数字模型

一般而言，工业与民用建结构设计的整体优化方案可以按照以下几个步骤展开。

1.选择设计变量

在选择变量时，挑选的都是那些对于整体结构设计起到主要影响的参数，例如结构的总造价、结构损失期望值、结构的可靠度等，而其他一些对于结构整体设计而言，其自身的变化范围不大，或者在局部设计中可以满足要求的参数就不作为设计变量。从众多变量中筛选出起到主要作用的参数，就可以大幅度降低设计、计算和编制计算机程序时的工作量。

2.选出目标函数

在所有函数序列中找到一组可以同时满足构件的截面尺寸、钢筋的配筋率等构件设计要求的数值，该组数值要能满足造价方面的要求，力求达到造价最低的目的。

3.确定计算的约束条件

基于结构可靠度要求的设计约束条件，包括构件尺寸的约束、结构强度的约束、应力约束、变形约束、裂缝宽度约束、构件单元约束、结构体系约束、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、从可靠性指标约束到确定性指标约束等。在建筑工程结构设计中，想要将结构最优化设计的结果应用到实际结构设计中，就需要对建筑工程实际的约束条件和计算过程中所采用的目标约束条件相比较，保证各个约束条件满足现行国家规范要求，从而为实现最优化设计提供可能。

（二）优化设计计算方案的确定

建筑工程的可靠度优化问题是一个复杂、影响因素多、约束条件不唯一、约束复杂、非线性的问题。在实际计算过程中，一般是将这种有约束条件的问题转化成一个没有约束条件的问题进行计算，完成之后再通过公式计算，达到有约束条件下的可靠度结果。

（三）计算程序的设计

这个步骤就需要专业人员进行，对于这项工作，从业人员一定要是懂得结构设计的基本原则，同时对于计算机编程也有一定研究。在优化结构数字模型和确定优化设计计算方案基础之上，利用计算机编制出一套可以用来计算在各种约束条件综合作用下建筑优化设计的程序。

（四）计算出的结果应根据第三步计算程序所得的成果进行深入分析，选出最合适的结果，从而确定出最优化的设计方案。

三、对建筑工程结构进行优化设计的现实意义

建筑结构的设计从始至终都在追寻一个目标：用最少的费用建造出最符合业主要求的建筑物。对建筑工程进行优化设计的方法恰恰是为这个目的提供了一个有力条件，为这一目标提供了无限可能。数字化模型、现代数学的引入都为结构优化设计提供助力。通过现代方法对建筑结构工程进行优化设计，不仅能够实现建筑师所要求建筑物的美观、实用性、节能性，还在业主所希望的节约成本、降低造价等方面有着很好的作用。

对于建筑工程的优化设计，节约目标成本是一个重要目的，这一目的的达成，既满足了业主的要求，又能体现出建筑师和设计师的水平，这是推动结构优化技术不断发展的社会动力。当然，在节约成本的同时，一定要满足结构中最重要的安全可靠性，就像前面所提到的，通过数学方法，得到的可能仅是造价最低的最优解，但不一定就是最终所需要的结果，还需要对建筑物的其他各个方面进行综合考量，从而选出一个最符合要求的优化结果。唯有如此，才能真正做到可持续发展，实现更多、更大的市场利益。

通过这些年的实际工程应用发现，与传统的不经过结构优化设计的建筑工程项目相比，利用结构优化方法进行优化后的建筑方案，在工程的总造价方面，一般会有5%~35%的降低，这一点对于整个建筑行业而言都是不容小觑的事实。优化设计的好处不仅仅表现在这一个方面，在施工技术方面也有着不俗的表现。优化方法的技术性实现，能够对建筑工程中的材料性能进行充分而又合理地利用，在可靠的安全度范围内协调好建筑物内部各单元之间的关系。与此同时，针对建筑工程的优化设计，它还可为建筑整体性方案设计提供合理决策。优化技术是实现建筑设计的适用、经济和安全目标的有效途径。

四、总结语

总而言之，针对建筑工程的结构优化不是一个简简单单利用数学方法进行分析建筑最优解的问题，而是一个涉及到很多学科，非常复杂的综合决策性问题。建筑设计要满足适用、安全、经济、美观、便于施工等，这几个方面既相互联系又相互制约，如果过于侧重某一个方面就必定会牺牲掉另外一方面，这就是矛盾所在，不可能所有方面都能够照顾得很周全，这就要求建筑结构工程师对整个工程要精选出一个最合理的结果。有效利用建筑工程优化方法，还需要建筑结构设计的从业人员在以后的实践过程中多学习，多探寻新方法，综合其他学科知识，降低造价，并使结构达到适用、安全可靠、美观及方便施工的目的。