建筑结构设计优化方法在设计中的应用

杨淑斌

基准方中建筑设计股份有限公司 安徽 合肥 230071

引言

目前，住宅的主要特征是：适用性、安全性、经济性、可观性等。随着人民生活水平的提高，对住宅的要求也越来越高，越来越注重实用和安全。建筑业的飞速发展，人们对建筑的外观和结构进行了相应的改进，满足人们需求。新型城镇化进程的不断推进，社会经济飞速发展和人民群众的日益需要，当前住宅建筑的设计新趋势是既要确保建筑的功能、安全，又要节约空间，提高建筑的经济、利用效率。

1 建筑结构设计优化方法的重要性及意义

充分运用建筑结构的最优设计理念，可以更好地发挥住宅产品属性的功能，更好地体现出新型建筑的优良特性，更好地满足人们的需求。与传统建筑设计方法相比，该方法具有更大的优越性，可以提高整个工程的综合经济效益。通过对建筑的优化设计，可以使住宅的结构和机电系统之间的联系更加紧密，更容易实现建筑的功能需求，从而提高住宅的综合质量，从而使人们的生活更安全、舒适。因此，对住宅进行优化设计，既可以保障住宅的安全，满足人们需要，又可以提高建筑单位的经济效益。

在住宅结构设计中，合理地进行结构设计是非常重要的，它既能达到实用和美感，又能有效地控制项目的成本，提高经济效益。对建设单位（房地产开发企业）而言，他们核心目标自然想要在最小的投入下，取得最大的利益，但同时也要确保结构的科学性、可靠性和安全性，这就必然需要进行结构的优化设计。通过对结构优化设计与传统住宅结构设计的对比分析可以得出，采用优化设计技术可以降低工程总成本的6%～25%。

结构优化设计技术可以使结构中各构件之间布置更合理，结构受力更加明确，同时也能最大限度地发挥新型建筑材料的特性。这种方法既可以确保住宅产品质量安全可靠，符合有关法律法规的要求，又可以达到经济和实用的，是一种具有划时代设计理念建筑结构设计方法，具有十分重要的实际指导意义。

对于建设单位而言，要想让自己的产品满足购房者的需求的前提下，获得最大限度的经济效益，就必须通过优化设计，降低房子的建造成本。过去的建筑设计难以完全符合现代建筑的需求，常常会造成无法兼顾的情况，但在采用结构优化技术后，上述期望便得以实现[1]。

2 房屋结构设计中应用建筑结构设计优化方法的要点

结构的生命周期和最优的阶段。为了使建筑的生命周期和阶段性的优化，必须在项目的生命周期中，对各个阶段的方案进行优化。同时，设计人员还应对不同时期的结构体系进行合理的选择，从而达到最大限度地保障结构的寿命，从而有效地改善建筑的总体质量。

在前期设计阶段，建筑结构在房屋的设计中应注重运用结构优化的方法，从而达到对房屋结构的可靠的质量控制目标和最优设计成本的目的。在项目前期，对规划方案优化设计、建筑方案优化设计、结构方案优化设计等设计方案进行全面的综合运用，可以将建筑设计中的一些疏漏的交圈问题和设计盲点，以及质量控制隐患提前暴露出来，从而达到最优设计方案，确保最大经济效益，使方案的经济性、安全性、合理性达到最大化。

设计计算方法及步骤。在进行结构优化时，必须确保选择的结构方案的最优。在此过程中，包含许多限制因素、变量，因此，在进行结构优化设计时，必须先认识到这些限制因素，再进行合理的理论分析，最后再将各影响因素进行等效、模拟纳入到工程设计理论中，利用数学方法对其进行计算分析、优化。

结构设计人员可以通过不断的优化结构布置、调整计算参数，对结构计算模型进行优化设计，来得到最优的结构设计方案。

基础结构与主体结构的安全性与稳定性有直接的关系，所以在基础结构的设计过程中，在兼顾安全性的同时，必须充分运用结构优化的方法，对地质条件、桩基类型、基础类型、基础构造做法等进行优化设计。对于桩基方案来说通过经济技术对比的优化方案，确定桩基的形式、确定桩长、直径，结合施工进度质量等要求优化基础结构的方案，选择最合适的基础方案，以提高和确保整体结构强度和结构稳定性[2]，同时确保结构安全可靠、经济合理。另外，对于地下水丰富地区，还需要考虑合理的抗浮设计方案。

对主体的上部结构进行优化。在进行高层建筑结构优化时，应先合理布置剪力墙，使其布置经济合理，从而有效抵抗荷载作用如风、地震等。在进行建筑结构设计时，应尽量控制剪力墙面积，提高业主后期改造的可能性，并尽可能的预留改造条件。同时，加大新材料的推广应用，如使用高强度混凝土（C60）、高强度的钢筋（CRB600H）。其次，从施工角度出发，在进行上部结构优化设计时，考虑施工可行性，采用新技术，降低人力投入、简化施工的同时，提高施工质量，如，采用铝合金模板技术使用，提高模板周转使用率，以达到提高施工效率的目的，同时提高了施工质量。

概念设计与理论实践相结合。不同之处在于，概念化的设计往往与真实的数据分离，对设计人员的要求较高，因而在进行计算时，对于不同的设计人员，抗震概念理解不同，不可避免地会产生很大的差别。这就需要在进行概念设计时，设计人员要对相关规范的深刻理解到位，并将有关的理论要求应用于结构设计，对计算软件提供设计结果，判断其合理性，并用于结构设计实践中。在进行设计时，不仅要对整个设计进行宏观的把握，还要注重细部结构的优化，确保细部的工作不会出错，以确保整体结构达到的安全、合理的效果。例如：材料强度、抗拉强度取值、荷载取值、结构计算参数等各细部要素的设计取值，可以极大地保障结构优化设计技术在结构设计实践中的广泛应用。

3 建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的具体应用

3.1 分阶段优化和寿命优化

在一个特定的时期里，每一个项目都有一个固定的寿命周期，每一个周期都会有不同的设计方案，从这一点上来说，每一个阶段都可以进行优化。所以，在进行结构设计时，必须考虑到不同时期的不同特征，以使整个结构的寿命得到最大限度的优化，并确保工程的总体质量[3]。

3.1.1 整体优化和局部优化。建筑结构的结构设计是复杂的、层次的，从结构的复杂性出发，建筑结构的优化包括材料的选择、构件的选择、结构体系的选择等等；从层次上说，结构设计的优化包括整体设计、基础设计和主体设计和节点设计，这些系统又包括多个附属系统，在结构设计优化时，结构设计人员既要优化各个子体系，也要打破相关的边界，达到“叠合式”，也就是要从整体上进行整体优化。

3.1.2 上部结构的优化。为了优化住宅的上部结构，应在高层建筑中合理设置剪力墙。在合理配置剪力墙时，必须使墙体的分布均匀、并尽量布置在结构四周，从而使结构的刚性中心点与楼面整体结构的质量中心相统一重和，从而减小结构在外部荷载如地震、风等对房屋产生的扭转作用。同时，为了减少钢筋、混凝土等建材的消耗量，在结构允许的情况下，可采取大开口的剪力墙结构，减小剪力墙长度、减少墙肢数量、提高混凝土强度等措施，既能满足结构需要，又能减少混凝土用量。当然，在进行房屋结构设计时应注意到，如果房屋所处的地段地质情况不佳，并且对地震反应能力有很高的要求，那么就不宜采用大面积的剪力墙[4]。

3.1.3 下部结构的设计优化。在进行地基结构设计时，要合理地选择基础方案，比如，根据施工现场的实际情况，选用适当的桩基方案，并尽可能降低施工成本。同时，根据桩端持力层的长度，合理地选择桩长，对不同的设计方案进行了分析、对比，并结合场外试桩，最终确定了最优的桩长。

3.2 概念设计结合细部结构设计优化

如果没有特定的数字量化，我们可以采用概念设计。比如，当抗震设防时，由于地震作用的不确定因素，我们就不能得到与实际情况相符的理论公式。因此，在进行抗震设计时，我们可以采用概念设计的方式，将其与之对应的数值取值相结合。同时，在进行结构设计时，要合理、灵活地运用结构的优化方法，以取得最好的效果。在进行工程设计时，应对各构件进行合理的设计与优化，进行简化计算，例如：在采用现浇混凝土异型楼板板时，因弯角容易出现裂纹，可将其简化为矩形板，再合理地选择钢筋构造措施，既能满足结构的基本要求，又能确保施工安全、合理。

3.2.1 结构与建筑的协调优化。建筑结构的优化应注重建筑结构与建筑功能造型的协调统一，从而达到建筑的美观和结构的安全合理。在布置建筑物的柱子和剪力墙时，要根据建筑物的平面功能要求，保证各房间的功能是完整的，结构布置不影响建筑功能的施工。在进行结构优化时，应选用强度高的建筑材料，以减轻结构的重量。对于非结构构件，可以选用重量轻的建筑材料，如内隔墙的砌体材料。同时，在结构体系中，尽量做到简单明了，避免墙体和立柱的错位，并保证各楼层的高度和剖面空间是连通的，使结构竖向构件连续，结构传力合理。

3.2.2 结构与排水系统的协调优化。排水是住宅建设的重要组成部分，因此，在进行结构优化时，必须考虑到结构和排水的协调。由于住宅的特殊排水管道，其安装的管线比较多，所以其承受的荷载比一般的房间要大，所以在结构优化时，可以在地下室设置给水系统专用房[5]。由于设备房中管线众多，且管径、根数各有不同，在设计时必须确保预留的孔径和预埋深满足规范要求。另外，由于某些水平方向的管线会穿过剪力墙或横梁，因此在结构优化时应尽量避免。在施工时，若管线必须穿过结构房屋的剪力墙，则应对其进行必要的加强。为了使住宅建筑的整体结构和排水系统达到最佳的协调，尽量减少管线穿剪力墙、穿梁等问题。

3.2.3 结构与电气系统的协调优化。为了使房屋的建筑结构与电力系统的最佳化，一般都是在金属管道的外部或者墙壁、楼板上铺设电线，这种方式往往会影响到建筑的正常使用。因此，在进行结构优化时，应事先预留出与梁宽度相适应的孔洞[6]。如果不能保持一致，那么至少要保证墙的一边和横梁的边是水平的，这样才能保证管子不会从墙里露出来。比如要让管道从梁体上穿过去，就必须要做好准备，不然的话，下一次要穿过梁体，就必须要预留一个孔，这不但会影响到美观，还会影响到结构整体安全。

3.3 对于钢筋混凝土框架结构设计优化

钢筋混凝土结构在我国的住房配套结构中占有重要地位，目前国内大多数住宅均为钢筋混凝土结构。因此，有必要对钢筋混凝土框架进行设计优化。在某些钢筋混凝土框架结构中进行优化设计是必要的。一般都是按照建筑的剖面控制方案来设计，然后利用有限单元的方法，对整个结构进行受力分析，然后将其分解，得到最优的结构。

4 结束语

在建筑结构设计中，结构的优化设计是非常关键的，它既可以满足技术指标，又可以降低经济费用。但是，由于建筑结构的优化问题十分复杂，而且具有很强的综合性，因此需要加强对其优化的研究。文章对住宅结构的优化设计进行了深入的探讨，并给出了有关的优化优化方法和关键点，以供广大设计人员参考。