探究建筑结构设计的优化方法及应用

摘 要：建筑结构的稳定性和安全性决定了建筑的使用寿命和质量，建筑结构设计涉及工程造价以及施工技术问题，同时还要兼顾一定美观性和功能性。因此优化建筑结构设计，具有重要意义。本文基于建筑结构设的角度，首先介绍优化建筑结构设计的常规步骤，随后提出具体的优化方法以及应用。

关键词：建筑结构；设计方法；剪力墙；优化模型

前言：建筑行业随着我国城市化进程快速发展，由此涌现一大批建筑企业，为了保持各自企业的竞争优势，在各自施工技术水平相持平的前提下，企业会在建筑结构质量上下功夫，通常是采用优化建筑结构设计的方法。对于企业来说，科学、合理的建筑结构设计方案有效提高建设资金的使用率，为企业赚取更多利润。

1 优化建筑结构设计的常规步骤

这一步骤是建筑结构优化的关键步骤，通过获取其结构的相关参数，建立模型并进行分析和处理，最后计算出模型的最优解。建立优化模型需要做好以下两点：第一，从大量变量参数中选取科学、合理的作为模型参数，这些工作决定了优化模型的准确性与有效性，同时也影响着最优解的求解复杂度与工作量。第二，确立目标函数，它是优化模型的基础部分，也是最优解的过程依据，目标函数约束了建立模型的约束条件，如强度、尺寸、应力、弹塑性。

确立了优化模型、约束条件以及参数后，利用这三者计算方案设计，基于最优化数理统计要求，需将约束条件转为非约束条件，才能繼续开展优化。接着采用合理的优化算法，确保模型收敛性、稳定性获得全局唯一最优解。

完成计算方案后，将各项参数输入计算机中，并进行程序编写，利用其自动优化处理，得出最终方案。根据得出的方案，再综合考虑经济、政策以及实现条件等因素，保证方案的科学性和可行性。其中时间和人力成本应列为方案分析的优先级，保证建筑安全和质量的前提下，尽可能将两者降至最低。具体包括技术指标与经济指标之间找到合适的平衡点，以此节省建设资金，采用新技术减少不必要的资金、材料、成本消耗[1]。

2 建筑结构优化的具体应用

2.1桩基础偏差控制和处理

桩基础施工中容易造成桩偏差，因此要重点关注承台桩以及条形承台桩，桩位偏差会产生较大附加内力，使得桩基设计处于不稳定状态。对于桩基竖向偏差，可以通过控制桩顶标高的允许偏差为-50～+100mm，但这样操作在实际施工中工作量更大且损失更多。出现桩顶标高高于设计标高的情况，应截桩处理。需要注意的是预应力砼管桩桩顶有桩帽，如果进行截桩带来较大的施工难度，同时也不经济。当桩顶标高低于设计标高，有需要为此补桩头，同样也会影响整体工程的工期和增加造价。根据以上两个问题，必须严格控制桩顶标高，尽最大可能使工程标高与设计标高保持一致，还要考虑桩在卸载后的回弹量，以此保证每根桩高于设计标高。设计方案时，要对桩基施工存在的误差问题纳入方案影响因素的考虑，首先在方案中将偏差容许控制在20mm左右，由此避免大量小偏差桩的截桩；其次规定桩位的水平偏差，桩径偏差或边长控制在二分之一左右。需要特别注意的是，上述偏差控制内容只为满足设计要求，仅代表桩本身验收合格。对于由此引起的承台整体偏心，还需要另行采取措施，如增加承台刚度或配筋的措施。

2.2优化房屋分布结构

房屋部分结构优化设计主要包括：拉梁、荷载、钢筋混凝土结构、剪力墙结构等基础内容，对以上部分进行优化和处理，是实现建筑房屋结构整体优化的关键。对于房屋基础拉梁结构，设计师应根据要求的高度、层数考虑房屋的防震性和稳固性。计算基础桩基与基础拉梁的配筋率，以此确保两者的和谐一致。设计师常忽略建筑地质、风力以及气候等因素，应将其纳入优化设计的考虑。

对于房屋荷载设计，首先要对建筑周围的地质情况进行详细的调查，明确地基的受荷载能力，并综合风力、气候等元素设计其基础结构。针对钢筋混凝土和剪力墙结构，应采用常规步骤，先对结构整体和部件受力进行预先演算，通过核定单元截面受力优化不断推进，得出整体结构的优化。通过上述方法，得出最科学、合理、安全稳定的结构设计[2]。

2.3建筑使用寿命优化以及上部结构优化

优化建筑结构设计，并采取相应的优化方法能够延长建筑的使用寿命，提升建筑企业的经济效益。建筑结构设计有一定的时效性，随着时间推移，在技术、结构以及材料的共同作用下，其使用寿命不断减少。例如，在经过一定时间后，建筑的材料开始丧失其功能，但是结构、技术方面还发挥着应有的作用，因此只需要针对材料方面进行分段优化即可。因此在建筑结构设计中，要充分考虑建筑分段优化的需求和特点。

上部结构优化，主要集中在剪力墙结构上部结构，通过合理布设剪力墙，促进其整体质量均匀，保证楼层中心与楼层平面刚度中心重合，在发生自然灾害如地震、台风等，能够最大限度减弱其对剪力墙的影响。基于此优化要求，应使用大开间剪力墙，延长墙肢长度，并在满足设计规范和要求的前提下减少墙肢数量，以此减少混凝土使用量。若是建筑剪力墙本身的抗震性能弱，应减少大开间剪力墙的设计和应用。

2.4建筑协调性优化

保证结构与建筑整体平面的协调与配合，对于墙壁、建筑柱设计，应满足建筑内部平面使用需求，确保房间开间、进深统一。需要注意的是，墙、柱避免出现错位情况，应秉着简洁的要求进行设计和布置。各楼层墙柱高度与截面面积保持参数一致。对于电梯、楼梯设计，将高强度承重构件布置于转角区域，促使该区域应力集中。

结论：综合上述，建筑结构设计优化，要选取科学、合理的变量参数并建立优化模型，还要做好桩基础偏差控制和处理、优化房屋分布结构、优化建筑使用寿命以及上部结构、优化建筑协调性，通过以上措施提升建筑建造质量，提高企业经济效益。

参考文献：

[1] 付明阳.建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用研究[J].江西建材，2017（02）：76+79.

[2] 丁博.试述建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用[J].建材与装饰，2015（51）：65-66.

作者简介：兰正刚（1973年—）男，籍贯：四川省泸州市泸县，职称：工程师，研究方向：探究建筑结构设计的优化方法及应用。