刘寅
华蓝设计（集团）有限公司 530011
摘要：本文结合结构设计优化的相关理论，着重对结构设计的优化方法进行分析，希望通过本文的介绍能为结构设计优化方法的进一步推广与应用提供帮助。
关键词：结构设计；房屋结构；优化方法
前言
随着城市化进程的不断加速，房屋建筑结构设计者起着极其重要作用。迅速发展的国民经济，不断提高的现代化生产和人民生活水平，对房屋建筑设计工作者也提出越来越高的要求。在满足各种规范和某些特定要求的条件下，使房屋建筑结构设计得功能强、造价低、安全可靠是每一个房屋建筑结构工程师追求的目标，该目标的实质就是实现房建结构的最优化。由此深入研究房屋结构设计方法，优化建筑质量结构具有重要的现实意义。
1.结构优化设计的原理
从概率极限状态设计概念出发，满足建筑设计使用功能要求的结构设计方案具有很多种，通常情况下，设计者根据设计要求及经验，先选定一种承重结构体系及结构构件的截面几何尺寸，然后依据有关规范设计要求进行验算。若在验算过程中出现不满足规范要求的情况，则再调整原设计参数，重新进行验算，直至满足规范要求为止。因此，目前的结构设计实际上还是一种被动的验算性质的设计。在绝大多数情况下，实施的结构方案无论是在结构受力方面还是在经济效益方面都不是最优方案，为此，有必要对设计的结构方案进行优化。
结构优化设计就是在明确设计目标的前提下，使结构体系受力最合理，并且在设计基准期内经济效益最好。据此，在结构设计中，结构优化设计的目标应该是在设计使用期内结构的可靠性指标最为合理，未来使用期可能消耗的维修管理费用最低。从理论上讲，当结构设计可靠指标值较大时，结构建造所耗费的费用就会增加，但后期的结构维修管理费用则会相应有所减少；反之，当结构设计可靠指标值较小时，结构建造所耗费的费用虽会降低一些，但后期维修、管理费用可能会加大。因此，结构优化设计就是要在设计可靠指标与总损失期望值之间要取得一个平衡，这个平衡的关系若用数学式表述则为[1]：
式中 为设计基本变量； 为结构优化函数； 为结构造价和今后的维修费用； 为结构使用期内总损失期望值； 为结构设计选取的可靠指标； 为设计可靠指标的下限值。其中，E（X）是一个随机变量，是指结构在今后使用期间可能由于特殊情况而发生的不可使用所付出的代价。
由上式可以看出，结构优化设计中的关键在于结构体系可靠指标的选取。但考虑到结构体系在多工况作用下受力状态的客观存在，因而，由此导致结构体系可靠指标的选取与确定就非常的复杂和不易。
2.结构优化设计方法在房屋结构设计中的应用
2.1施工图设计阶段的优化策略
首先是编制查用方便的设计图表，使优化设计和一般结构设计难易程度差不多。事实上，为了加快工程设计的速度，房建结构工程通常都事先准备很多辅助设计工具。如果我们通过优化设计理论分析，编制出相应的查用方便的结构优化设计图表，这些表在使用方法上与普通设计图表并无二致，但查得的结果却是优化设计，工程技术人员就会自觉自愿地在结构施工图设计中，使用这些图表而达到优化设计的目的了[2]。
其次是结合经典的结构分析方法安排优化设计步骤，使结构优化设计与一般结构设计相似。把优化程序揉入结构设计工程师们所习惯的结构分析方法中去，是建立房建结构实用优化设计方法的又一策略和措施。同时它也是连续钢梁结构优化设计的弯矩分配法和钢筋混凝土连续梁优化设计的弯矩分配法的理论基础。
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2.2钢筋混凝土框架设计的分部优化技术
（1）分布优化的设计策略
结构分部优化的设计策略就是：在根据工程经验假定结构梁柱的初始截面后，首先对结构进行整体内力分析，得到结构的内力分布，即各梁和各柱的弯矩、剪力和轴力，当然这时可以采用近似的内力分析方法，如竖向荷载作用下的分层法、水平荷载作用下的反弯点法和D值法，其次，再把框架结构离散成单一的梁、柱构件，在求得内力分布状态下进行各梁、各柱优化截面和配筋选择，即分部优化对设计方案进行修改。得到新的设计方案，这样就完成了一个循环，重复这样的过程。直至收敛，即在连续两次得到的方案足够的接近，或梁、柱控制截面的控制内力足够接近时，停止迭代循环。
但是分部优化并不等价于整体优化，因此可能出现在两个或几个近似的最优解附近互相跳来跳去不收敛，或即使收敛。结果方案却有可能不可用，处理的办法，是根据工程经验选用其中的某个近似最优方案，使其能更好地满足结构设计原则或更容易进行构造处理，这对总造价的取值是没有影响或影响是微乎其微的，最后。对得到的结果方案再进行一次整体内力分析，检验方案的可用性。
（2）框架梁的最优截面尺寸
框架梁实质是两端存在弯矩的单跨超静定钢筋混凝土矩形截面梁。其内力（控制截面的控制弯矩 和控制剪力 ）是由框架结构整体内力分析确定的，当然这时要考虑荷载作用组合、荷载效应组合和活荷载的最不利布置，要画出弯矩包络图，以便确定控制内力 和 。另一方面，对分部优化法做钢筋混凝土框架优化的很有利的是塑性内力调幅功能的存在，它使工程技术人员可以根据自己的经验在20-30％的幅位范围内随意设置梁端弯矩，这可以大大地加速迭代收敛[3]。但注意，对框架柱是不能进行塑性内力调幅的。
2.3 钢连续梁优化设计的弯矩分配法
根据分部优化的思想，通过对工程设计的实际经验采取一些简化处理，把钢连续梁按跨离散、全问题分为n（跨数）个单跨梁子问题，选定支座弯矩为调整变量，建立的子问题优化模型是几何规划问题。它的对偶问题的解有如下特点：或不随原问题中常数系数的改变而变化，或虽然有所变化却有简单的规律可循，因而可用支座弯矩（有时有剪力和挠度系数）简单地表达各跨梁段最优几何尺寸和最优刚度，既然各子问题的最优解可与调整变量（支座弯矩）之间建立函数对应关系。则分部优化就变成了单纯的调整变量最优值的搜索，这只需反复进行一般的力学分析就可以了，这就是钢连续梁实用优化设计的弯矩分配法。
2.4弯矩最优刚度分配法
最优刚度与跨内最大弯矩、最大剪力及最大挠度系数有关，因此可对每一梁段的固端弯矩求出相应的最大弯矩、最大剪力及最大挠度系数。在判定属于哪种情况后，计算出相应的最优刚度作为初始值。按此刚度进行力学分析，求得新的最大弯矩、最大剪力和最大挠度系数，再计算出新的最优刚度进行新的力学分析，直到收敛所得的支座弯矩就是最优设计的支座弯矩，据此可求出截面的最优尺寸和最优刚度，使用一次弯矩分配法解题，形成所谓的弯矩最优刚度分配法。其具体应用步骤为：①锁住各节点，计算每跨梁在荷载作用下的包括端点在内的跨内最大弯矩 、最大剪力 ，及最大挠度系数 ；②判定各梁段最优时属于哪一类型，然后按代线刚度 进行分配；③将各结点同时放松，分配各结点之不平衡弯矩，从左到右逐个传递分配弯矩，此时要将左结点传来的弯矩与该结点分配的弯矩一齐向右传递，传到最后一个结点为止，同样方法自右向左逐个传递分配弯矩；④把第一次迭代后的支座弯矩作为新的固端弯矩，并计算相应的跨内最大弯矩、最大剪力及最大挠度系数后转到第二步。但注意，这时仍需对原来的不平衡弯矩进行分配。如此重复迭代下去。直到最优刚度趋于稳定止。
3.结语
总的来说，结构设计优化在房建结构中的应用随着城市化进程的不断加剧已成为必然，它不仅能够提高建筑的整体性能，而且能够在满足建筑使用功能的前提下提高经济效益。尽管结构优化设计涉及的问题复杂，应用上困难很多，作为一个房建结构设计工作者，应该努力钻研理论，勇于进行工程实践，为推动房建结构优化设计的学科发展，为我国的四化建设做出应有的贡献。
参考文献：
[1]郑智垚，乐肖军.结构设计优化设计技术与其在房屋结构设计中的应用[J].中国新技术新产品.2013（04）.
[2]佟月强，郝明.试论结构设计优化技术及在房屋结构设计中的应用[J].科技与企业.2013（08）.
[3]邹俊.建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的现实应用[J].科技传播.2012（19）.
作者简介：
刘寅（1986.2—），男，广西桂林人，本科，从事结构设计工作。
论文作者:刘寅
论文发表刊物:《基层建设》2015年13期供稿
论文发表时间:2015/12/22
标签：弯矩论文; 结构论文; 结构设计论文; 最优论文; 优化设计论文; 刚度论文; 内力论文; 《基层建设》2015年13期供稿论文;