淺談建筑結構優化設計

程家魁

摘要：在民用以及工業建筑中，對于建筑結構的優化設計一直是建筑師和結構師共同追求的目標，建筑師和結構師在從事建筑工程項目設計時，總是希望通過現有技術手段，在滿足一定客觀條件和使用要求的同時，達到經濟、安全、美觀、符合使用要求的最佳方案。

關鍵詞：結構設計；優化設計；數學模型；優化措施；優化計算

中圖分類號：TU3文獻標識碼： A

一、概述

對工業與民用建工程項目進行優化，能夠使方案達到最佳的一系列數學方法稱為最佳優化方法，當這些優化方法應用到工程實際中去的時候就稱為優化技術。建筑結構的優化設計一般而言會分成狹義和廣義兩個方向。從狹義上來說，優化設計就是減少鋼筋和混凝土用量的問題，但是如果僅僅是在結構設計過程中將鋼筋抽掉，減少混凝土用量，有時這樣做就會降低了結構的安全儲備，并沒有達到想要的優化設計目的，也就是說這并不一定科學。而另一個方向從廣義上講，結構優化設計就不僅包含對于結構設計本身的一種不必要冗雜配筋和混凝土的去除，還包括建筑的其他各個方面，比如舒適性、建筑容積率、建筑空間利用效率、建筑節能性等各個方面。

結構設計的最優化問題其實一直伴隨著建筑史的發展而發展，進入現代社會之后，開始利用數學概念對建筑結構進行優化。結構設計的近代優化設計大體上可以分為三個階段。

第一，將整個建筑工程建立成一個數學模型。

第二，通過尋找一個合理高效的數學計算方法對建筑結構進行優化設計。

第三，利用計算機軟件編程技術，編制出一套符合客觀實際的計算程序，對整個結構進行全數字化處理。

利用這些數學方法，一定會給出一個在已知且給定條件下的最優解，而且這個解通常更注重節省造價方面的最優解。但需要注意的是，通過數學方法計算出的這個結果還要深入分析它是不是最符合工程條件的合理解，因為建筑工程的結構設計是一項非常復雜的內容，還要考慮它是否滿足建筑的安全、美觀、使用要求、節能要求等。在利用數學方法進行解析計算時，往往是側重考慮其中的一些起到主要作用的因素，而忽略掉一些客觀因素的影響，如若放到真正結構設計中，就要通過自己的分析，將這些客觀因素融入到設計中。也就是說，在利用數學方法計算得出最優解時，還要根據自己的全面判斷，對其進行一些必要的修改。

二、結構優化設計步驟

（一）優化結構數字模型

一般而言，工業與民用建結構設計的整體優化方案可以按照以下幾個步驟展開。

1.選擇設計變量

在選擇變量時，挑選的都是那些對于整體結構設計起到主要影響的參數，例如結構的總造價、結構損失期望值、結構的可靠度等，而其他一些對于結構整體設計而言，其自身的變化范圍不大，或者在局部設計中可以滿足要求的參數就不作為設計變量。從眾多變量中篩選出起到主要作用的參數，就可以大幅度降低設計、計算和編制計算機程序時的工作量。

2.選出目標函數

在所有函數序列中找到一組可以同時滿足構件的截面尺寸、鋼筋的配筋率等構件設計要求的數值，該組數值要能滿足造價方面的要求，力求達到造價最低的目的。

3.確定計算的約束條件

基于結構可靠度要求的設計約束條件，包括構件尺寸的約束、結構強度的約束、應力約束、變形約束、裂縫寬度約束、構件單元約束、結構體系約束、從正常使用極限狀態下的彈性約束到最終極限狀態的彈塑性約束、從可靠性指標約束到確定性指標約束等。在建筑工程結構設計中，想要將結構最優化設計的結果應用到實際結構設計中，就需要對建筑工程實際的約束條件和計算過程中所采用的目標約束條件相比較，保證各個約束條件滿足現行國家規范要求，從而為實現最優化設計提供可能。

（二）優化設計計算方案的確定

建筑工程的可靠度優化問題是一個復雜、影響因素多、約束條件不唯一、約束復雜、非線性的問題。在實際計算過程中，一般是將這種有約束條件的問題轉化成一個沒有約束條件的問題進行計算，完成之后再通過公式計算，達到有約束條件下的可靠度結果。

（三）計算程序的設計

這個步驟就需要專業人員進行，對于這項工作，從業人員一定要是懂得結構設計的基本原則，同時對于計算機編程也有一定研究。在優化結構數字模型和確定優化設計計算方案基礎之上，利用計算機編制出一套可以用來計算在各種約束條件綜合作用下建筑優化設計的程序。

（四）計算出的結果應根據第三步計算程序所得的成果進行深入分析，選出最合適的結果，從而確定出最優化的設計方案。

三、對建筑工程結構進行優化設計的現實意義

建筑結構的設計從始至終都在追尋一個目標：用最少的費用建造出最符合業主要求的建筑物。對建筑工程進行優化設計的方法恰恰是為這個目的提供了一個有力條件，為這一目標提供了無限可能。數字化模型、現代數學的引入都為結構優化設計提供助力。通過現代方法對建筑結構工程進行優化設計，不僅能夠實現建筑師所要求建筑物的美觀、實用性、節能性，還在業主所希望的節約成本、降低造價等方面有著很好的作用。

對于建筑工程的優化設計，節約目標成本是一個重要目的，這一目的的達成，既滿足了業主的要求，又能體現出建筑師和設計師的水平，這是推動結構優化技術不斷發展的社會動力。當然，在節約成本的同時，一定要滿足結構中最重要的安全可靠性，就像前面所提到的，通過數學方法，得到的可能僅是造價最低的最優解，但不一定就是最終所需要的結果，還需要對建筑物的其他各個方面進行綜合考量，從而選出一個最符合要求的優化結果。唯有如此，才能真正做到可持續發展，實現更多、更大的市場利益。

通過這些年的實際工程應用發現，與傳統的不經過結構優化設計的建筑工程項目相比，利用結構優化方法進行優化后的建筑方案，在工程的總造價方面，一般會有5%~35%的降低，這一點對于整個建筑行業而言都是不容小覷的事實。優化設計的好處不僅僅表現在這一個方面，在施工技術方面也有著不俗的表現。優化方法的技術性實現，能夠對建筑工程中的材料性能進行充分而又合理地利用，在可靠的安全度范圍內協調好建筑物內部各單元之間的關系。與此同時，針對建筑工程的優化設計，它還可為建筑整體性方案設計提供合理決策。優化技術是實現建筑設計的適用、經濟和安全目標的有效途徑。

四、總結語

總而言之，針對建筑工程的結構優化不是一個簡簡單單利用數學方法進行分析建筑最優解的問題，而是一個涉及到很多學科，非常復雜的綜合決策性問題。建筑設計要滿足適用、安全、經濟、美觀、便于施工等，這幾個方面既相互聯系又相互制約，如果過于側重某一個方面就必定會犧牲掉另外一方面，這就是矛盾所在，不可能所有方面都能夠照顧得很周全，這就要求建筑結構工程師對整個工程要精選出一個最合理的結果。有效利用建筑工程優化方法，還需要建筑結構設計的從業人員在以后的實踐過程中多學習，多探尋新方法，綜合其他學科知識，降低造價，并使結構達到適用、安全可靠、美觀及方便施工的目的。