房屋建筑结构设计中优化技术应用之我见

廖海龙（九江市城市规划市政设计院，江西九江332000）

房屋建筑结构设计中优化技术应用之我见

廖海龙（九江市城市规划市政设计院，江西九江332000）

随着国民经济的发展，人们的生活水平不断提高，对居住品质、环境的要求越来越高，进而对住房的质量、适用性、美观等都有更高的要求；同时，房屋开发商既关注于项目的技术质量，也开始重视项目的经济质量。这些市场需求上的变化，直接对房地产商的房屋建筑结构设计提出了更高的要求，如何优化房屋建筑结构设计成为一项十分重要的研究课题。结构设计优化不仅能更好满足用户、开发商的需求，而且可以创新房屋建筑结构设计的思路，对于提高房屋建筑结构的质量也有着重要的参考价值。

房屋建筑结构；设计；优化；技术应用

随着国民经济的发展，人们的生活水平不断提高，对居住品质、环境的要求越来越高，进而对住房的质量、适用性、美观等都有更高的要求。同时，房屋开发商既关注于项目的技术质量，也开始重视项目的经济质量。大量统计数据和实践表明，前期策划和设计阶段影响整个房地产项目投资在80%以上，而结构成本占到建安成本的40～60%，且结构成本还常常由于策划及设计管理的好坏出现非常大的波动，因此结构成本的控制管理就成为整个设计阶段成本管理的重中之重。故在满足安全和规范的前提下，控制结构造价成为投资方对结构设计的一项重要的要求。基于以上市场需求的变化，对房地产商的房屋建筑结构设计提出了更高的要求。结构工程师需要以深厚的理论基础、丰富的工程经验为前提，以对设计规范实质内涵的理解和灵活运用为指导，以先进的结构分析设计方法为手段对结构设计进行深化、调整、改善与提高。

1　房屋建筑结构优化的内容

1.1方案阶段的结构优化设计

在方案阶段，结构优化设计的内容体现在：重视结构概念设计；对建筑结构体系选择进行宏观上的比较，进行优选。在这一过程中，应结合建筑工程的具体情况，充分考虑工程的整体经济效益和社会效益，综合考虑各种因素而得到一个科学的优化设计方案。在进行优化设计时，应当尽可能采用平面布置较规则的平面布局，结构构件布置较均匀，有利于缩小建筑的刚度中心和质量中心的距离，减少结构在地震中的扭转效应；沿建筑物竖向，建筑体型和结构布置也应尽可能连续、均匀，避免刚度、承载力和传力途径的突变以限制在竖向某一楼层或几个楼层出现敏感的薄弱部位，从而减少这些部位在地震和风荷载作用时产生过大的应力集中或过大的变形进而导致整个结构失效的可能性。

1.2初步设计阶段的结构优化设计

在初步设计阶段主要是进行结构布置，确定结构构件的截面尺寸和材料（主要是混凝土和钢筋）的强度等，挑选符合结构实际受力状态的结构分析软件上机试算。除此之外，还应根据上部结构及场地地质水文条件的具体情况选择合理的基础形式，确定基础的平面布置及基础构件的尺寸。

在这一阶段，结构的优化设计体现在：

（1）输入合理的计算参数；

（2）按精细化的要求准确输入荷载信息；

（3）判断结构计算结果的合理有效性。

单位面积总荷载标准值是否合理，墙柱轴压比是否接近规范上限值且又使大部分墙柱为构造配筋，楼层层间位移尽量接近规范上限值，使结构不致因刚度过大造成成本增加，墙、柱、梁、板计算结构有无超筋、普遍偏大或偏小。

（4）根据计算结果判断构件几何尺寸、材料参数（强度、弹性模量）的选取是否合理，反复调整，直至趋于合理，确保结构的经济合理性。

1.3施工图阶段的结构优化设计

施工图阶段建筑和设备专业往往会在初步设计的基础上进行局部修改。结构专业应在此修改的基础上调整修改模型，重新计算；应充分考虑细节的前提下，最后确定各构件的截面尺寸和配筋。该阶段的结构优化设计体现在：

（1）结构计算方面同初步设计阶段内容。

（2）合理确定归并系数，合理设置选筋库。

（3）配筋设计：配筋超配率宜控制在计算结构和构造要求的较大值的5%以内，不应超过10%（复杂结构的重点部位除外）。

（4）绘制结构详图中，选取合理的结构型式和配筋构造。

（5）在施工图绘制完成后再进行仔细检查，调整不合理配筋。

2　房屋建筑结构设计优化的重要性

2.1可以提高建筑空间使用率、节材节能，促进社会可持续发展

在房屋建筑结构设计中，通过优化可以合理充分的利用材料的性能、提高空间使用率、节材节能，有利于保护环境，促进社会的可持续发展，符合国家保护环境的可持续发展观。例如，在确定建筑层高时，通过合理选择楼盖结构体系，降低楼层层高，可节约墙体材料，提高空间使用率，降低工程总造价。

在房屋建筑结构设计中结构设计方案的优选、优化是十分重要的，可以最大程度上降低建造的成本，同时也可以节约资源，实现生态与经济效益的完美结合。

2.2可以降低工程总造价，提高项目的经济效益

工程结构造价在建筑工程总投资中占有很大比例，控制工程总投资就必须控制好结构成本。在房屋建筑结构设计中，通过优化可以合理充分的利用材料的性能，控制不过度提高结构构件的材料用量，从而为工程项目节约成本，提高项目的经济效益，这也是市场经济发展的需要；设计单位通过结构设计优化，降低了不必要的土建成本，在建筑设计市场中才有可能占据一定的先机。

2.3可以使结构设计更趋于合理

在结构设计优化的过程中，结构设计更趋于合理，不仅不会降低结构的安全度，还会提高结构的整体安全度。从而使得安全性和经济性两者达到很好的统一。

3　房屋建筑结构设计中的优化技术应用

目前在建筑结构优化设计实际操作中，更多的是采用“分析和校核”基础上的“综合与优选”的方法，真正的结构优化设计软件还不完善，需要继续深入进行结构优化设计的理论研究，同时编制符合设计实际需要的计算机程序，在实践中检验、提高。

3.1房屋建筑设计方案中的优化技术

房屋建筑结构设计的工作是一个非线性的工作，在这个过程中最常用的方法主要有拉格朗日乘子法、可行方向法等。在房屋建筑结构方案设计的前期就可以提取出一个参考的总体框架，在这个框架下，对房屋建筑结构设计方案进行相应的优化。

3.2构建对房屋建筑结构设计方案进行优化的模型

对房屋建筑结构设计进行优化，就是科学、合理的方法以计算出最优的解决方案。在对房屋建筑结构设计中进行优化时：①对设计变量有一个科学的选择，在一般情况下，对于设计变量的设定要充分考虑到各类影响因素的作用，将其中对变化影响不大的参数定高预定参数，使用这种方法可以减少很多计算编程方面的工作，有效地提高了工作效率；②就是建筑结构设计优化目标函数的确定，这也是十分重要的一项工作，使用相应的目标函数可以保证优化中的各个约束条件都是符合相应的规范的，从而保证了房屋建筑结构设计优化工作的规范化与科学化。

3.3房屋建筑框架设计部分优化技术

（1）分布优化技术。通过对房屋建筑整体的内力分析从而得到各个部分的受力情况，从而对各个部分的设计方案进行相应的优化。

（2）框架梁截面最优化尺寸。框架梁的内力主要是由框架结构的整体内力进行分解而得到的，在充分考虑到载荷最不利的情况下画出相应的弯矩包络图，可以让相应的技术人员根据经验在25～35%的幅度之内设定框架梁的弯矩，从而可以加速框架梁的迭代收敛。

4　结语

总的来说，房屋建筑结构设计中的优化技术可以提高房屋建筑工程的总体质量，同时也能在满足房屋建筑安全、适用的前提下更好实现房屋建筑的经济效益。但是也要看到目前基于最优化技术和计算技术的结构设计优化理论的工程化应用还十分有限，真正的结构优化设计软件还不完善，需要继续深入进行结构优化设计的理论研究，加大实践，编制符合设计实际需要的计算机程序。

[1]朱杰江，主编.建筑结构优化及应用.北京大学出版社，2011.

[2]李能能，董 斌.房屋建筑结构设计中优化技术应用探讨[J].建筑设计管理，2013.

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TU318

A

2095-2066（2016）31-0137-02

2016-10-23