建筑結構的優化設計探析

郭艷峰 孫儒斌

摘要：建筑結構優化設計是基于建筑結構設計的基本要求作更進一步、更深層次、更為合理地建筑結構設計，使建筑工程能夠滿足美觀造型、結構安全和經濟規劃等方面的實際意義。本文首先分析了結構設計優化的內容及意義，然后探討了結構優化設計中存在的問題，最后詳細闡述了建筑結構優化設計的要點。

關鍵詞：建筑結構；優化設計；細部；地基；抗震

中圖分類號：TU3文獻標識碼： A

一、建筑結構設計優化的內容及其意義

當前，我國經濟快速發展，人們對居住條件及生活環境要求越來越高，而對建筑房屋進行優化設計，使其結構與美觀相互協調、同時適用、安全、經濟以及便利是改善人們居住環境方面的重要手段。建筑結構設計優化理念注重以實際為準則，根據工程建設的基本狀況，以計劃成本控制為中心來進行的結構優化設計，其內容就是利用對建筑基礎的結構、屋蓋系統的結構方案以及圍護系統結構方案等環節，建立起一種關于結構優化設計的模型，通過對各種不同的影響變量參數中的若干關鍵參數的科學計算，確立最終的建筑工程結構設計的優化結果方案。

建筑結構優化設計意義重大，一是大大提高建筑結構經濟性，建筑進行結構設計優化可節省材料，有利于抗震，減少內外表面裝修，提高了其受力性能，增強了建筑的經濟性能。二是結構優化設計大大降低了建筑工程的總成本造價。節約用地，大量資料表明，建筑進行結構設計優化能夠有效降低工程成本造價25%左右，同時結構優化設計技術能夠對施工材料的性能利用更加合理化，能夠讓建筑工程結構內部各個不同單元之間更加充分協調，提升了建筑工程結構設計的經濟性。

二、建筑結構優化設計中的問題

現代的建筑結構設計優化工作是一個復雜的過程，關系著建筑的安全與否，是否經濟和適用，在結構優化設計中也會遇到一些問題。

(一) 缺少詳細的勘察地質資料

從現在的建筑結構設計工作來看，普遍缺少詳細的勘察地質資料，只是簡單的依據相臨建筑的情況進行圖紙設計?？辈焓┕龅氐淖饔檬潜ＷC科學的進行地基基礎工作，并且達到最基本的安全保障。往往房屋設計工作人員只是把耐力數值控制到最小，就簡單認為房屋建筑結構沒有問題了，這種技術問題為房屋埋下了安全隱患。在對較軟地基進行處理時，忽略了墊層換土設計，只是根據經驗判斷處理。房屋結構設計過程中，對于較軟地基存在的安全隱患沒有足夠認識，單純依據個人經驗使用砂墊層強化承載力，對于其寬厚度缺乏精確計算，也造成了費用的浪費。

(二) 構造柱設計存在的問題

建筑結構設計中的構造柱可以設計為單一的受力柱，其橫截面與配筋必須達到規范砼的規格，如果房屋結構包含抗震功能，必須要滿足以上要求。當構造柱體被當做承重的柱體應用時，這就會使構造柱體的受力提前了，從而限制了構造柱體對建筑結構的拉束功能的完全發揮，使整體房屋結構設計暗藏了安全危機。地圈梁通常會植入構造柱體，這種情況下是不需要另外設置地基的，可是當構造柱體充當了承重柱體時，柱底部基礎抗壓能力必然會出現超負荷現象，裂縫也就產生了。在實際施工當中，處于承重梁下的柱體應當達到承重柱體的標準，假如承重梁的負載與跨度呈現最小狀態時，梁下也可以使用構造柱體。這時候就要對構造柱體的功能忽略不計，重新檢測墻體下半部分的抗壓強度，達到要求才能設計施工。

(三) 抗震設計中存在的問題

在抗震建筑結構設計中，施工設計人員普遍認為六度設防可以看成是沒有設防。為了方便受力分析，施工設計人員往往把柱體橫截面較小設計，增加梁線的剛度，將梁設計成為鉸支梁，柱體的抗壓能力設計成軸心抗壓。這種操作方法能夠方便分析房屋結構的受力，但是針對整體的房屋結構安全帶來了危險。忽視了梁與柱之間的彎矩約束，還有柱體的截面積較小，整個建筑結構一旦受力，抗彎能力明顯不足，造成了梁底顯現裂縫。

(四) 承重墻設計中存在的問題

建筑結構設計承重能力時主要是通過樓板設計完成的，在房屋建筑時經常將一些隔墻放置在樓板上，之后還會將這部分算在同等效果的荷載力范圍內，樓板的配筋也會依據這個數據進行計算。除此之外，隔墻頂部采用立磚斜砌，造成樓板頂部出現裂縫。兩個方向同時產生彎矩的雙向板中的鋼筋是要疊放并且要保持縱橫方向，計算時應該依據雙方向的高度。

三、建筑結構設計優化的基本步驟

通常在對設計變量進行選擇時，我們把對建筑結構影響的主要參數作為設計變量。如目標控制的相關參數( 損失的期望 C2 和結構的造價 C1) 和約束控制相關參數( 結構的可靠度 PS) 等; 然而還有一些影響不是太大，其變化范圍也不是很大或者由局部性以及結構的相關要求就能夠滿足相應的設計要求的一些參數，我們可以用預定參數來表示，這樣能夠使得我們的設計量、計算量以及編制程序的工作量均大大減小。在進行結構設計優化的時候，我們還必須尋找一組能夠滿足相關的預定條件的截面相應的幾何尺寸、鋼筋的截面積以及相應的失效的概率的函數，使得工程造價最少。

對于房屋的結構的設計優化來說，必須確保結構的可靠度，來對優化設計相關的約束條件進行相應的確定，設計優化的約束條件主要包括裂縫寬度約束、結構強度約束、尺寸約束、構件單元約束、應力約束、結構體系約束、從可靠指標約束到確定性約束條件以及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等約束條件。在進行結構設計的時候，確保每個約束條件都必須滿足相關要求，以實現最佳的設計。在設計過程中必須對細部的結構進行相應的設計優化，例如，在現澆的混凝土異形的板料，其拐彎處容易開裂，我們可以簡化成矩形板，然后再合理的選擇鋼筋，在滿足其結構的基本要求條件下，達到既安全又經濟的目的。

四、建筑結構優化設計的要點

（一）結構優化設計的規范

在對房屋建筑結構進行結構優化設計時，設計工作者應遵循相關的結構設計規范。房屋結構優化設計的追求決定了房屋結構優化設計對設計工作者提出了較高的要求，要求工作者不僅詳細了解房屋結構設計規范的條文，同時也要能夠根據房屋結構設計的實際情況，把房屋結構設計的結構優化設計方案科學合理的運用到實際的房屋工程中。

對于一些結構較為簡單的房屋工程，某些結構設計規范可能過于保守，而對于一些結構復雜的，或者有特殊用途的房屋工程，某些結構設計規范又可能過于寬松，安全性不足，這就要求房屋結構設計結構設計優化工作者能夠根據具體的工程情況，對結構設計條文進行適當的取舍，爭取使設計成果達到最優化。

（二）前期方案設計期間將結構設計優化參與其中

建筑方案設計前期如有一個優秀的、合理的設計方案，并參與結構設計優化，就會爭取到非常優秀的開端。但目前在前期設計方案中結構設計優化參與其中的并不多，如果能對建筑類別有所針對，并進行合理選擇結構設計優化方案，將降低建筑的總投資成本，因此在建筑方案設計初期應注意建筑方案的結構優化設計，考慮結構的合理及可行性。

（三）細部結構設計優化

概念設計應用于沒有具體數值量化的情況，設計過程中需要設計人員靈活的運用結構設計優化的方法，達到最佳的效果。與宏觀把握相對應的，設計的過程同時要注意對于細部的結構設計優化，比如現澆板中的異形板拐角處易出現裂縫，可劃分為矩形板。注意鋼筋的選擇，I級鋼和冷軋帶肋鋼市場價格差不多，但是他們的極限抗拉力卻相差很大，所以在塑性滿足要求的情況下，現澆板的受力鋼筋就可選擇冷軋帶肋鋼筋。在做立面設計的時候，外立面上的懸挑板及配筋，滿足基本的規范要求即可，達到既安全又經濟的目的。

（四）地基基礎結構設計

地基基礎的結構設計優化首先要選擇合適的方案，如果為樁基礎，那么要根據現場地質條件選擇樁基類型，盡量節省造價。樁端持力層對灌注樁樁長的選擇影響很大，應多進行比較以確定最合適的方案。

（五）概念設計處理的實際建筑設計問題

在建筑結構設計中，很多外在因素是難以控制的，尤其是地震這種破壞力極強的自然災害，對于建筑結構來說，破壞性是不可估計的。故此，在進行實際建筑設計時，必須充分考慮其建筑結構的地質特征，采用概念處理的原則進行合理的規劃設計，將其存在的危險因素降至最低。在進行建筑結構設計時，要充分考慮抗震性能的重要性，分析其建筑階段所受到的各種危險因素，采取合理的技術

手段，在建筑施工中注意剛度均勻、對稱的重要性，同時還可以采取延性的設計原則，它可以有效的防止建筑結構在地震發生時所產生的突發性破壞，消耗一定的能量，減少破壞。

參考文獻

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