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摘要：建筑结构设计优化着力于使结构体系合理化和高新技术的应用，从而提高工程效益。本文以建筑结构优化设计的相关理论为基础，结合具体实例，主要研究了房屋结构设计中的基础和剪力墙的优化设计。
关键词：建筑结构设计；优化；房屋结构；应用
前言
建筑结构设计优化是指对结构方案、结构计算、施工图配筋等进行优化，将建筑物钢筋混凝土含量指标控制在最低水平，以实现项目利益的最大化。为了达到结构优化设计的目的，工程设计人员必须在保证结构安全和建筑功能的前提下，通过对建筑结构的整体概念分析，采用合理的优化设计理念和方法进行优化设计，以有效控制工程造价，满足投资方的经济性要求。
1.建筑结构优化设计的思路
传统建筑结构的设计方法，是先根据经验通过判断给出或假定一个设计方案和做法，用工程力学方法进行结构分析，以检验是否满足规范规定的强度、刚度、稳定性、尺寸等方面的要求，符合要求的即可用方案，或者经过对少数几个方案和方法进行比较而得出可用方案。而结构优化设计是在很多个，甚至无限多个可用方案和做法中找出最优的方案，即材料最省、造价最低，或某些指标最佳的方案和做法。同时相比较传统的设计方法，结构优化设计具有以下优点：
1）优化设计能使各种设计参数自动向更优的方向调整，直至找到一个尽可能完善的或最合适的设计方案。
2）优化设计的方法主要是数值计算的方法，在很短的时间内就可以分析一个设计方案，并判断方案的优劣和可行性。因此，其可以从大量的方案中选出更优的设计方案，能够加速设计进度，节省工程造价。
3）某些优化设计方法能够表示各个设计变量在目标函数中所占有“权”的大小，为设计者进一步改进结构设计指出方向。
概括来说，建筑结构优化设计的思路为：任何一个建筑结构的设计方案，都可以用若干给定参数和一些设计变量来体现，而设计变量随方案的改变而改变。这些设计变量所组成的维向量可用维空问的一个点来表示，称为“设计点”。规定必须满足的条件或其他特定条件称为优化设计的“约束”。满足所有“约束”的设计点称为“可用设计”。代表所有可用设计的那些设计点形成维空间的一个 “可用域”。评比方案优劣的标准（如结构质量、造价等）是设计变量的函数，称为“目标函数”。也即是结构优化设计就是用一些力学和数学的方法，在“可用域”搜索目标函数最小（或最大）的所谓最优点，也就是最优设计方案[1]。
2.建筑结构方案优化设计分析
2.1结构优化设计的目标
保证结构的安全是结构工程师最基本的责任，设计需要从多个方面来保证结构的安全性。
结构设计的首要任务是选用经济合理的结构方案，其次是结构整体分析、构件及节点设计，并要求设计值在规范规定的安全系数或可靠指标内，以保证结构的安全性。
建筑结构设计的第二目标是经济。所谓结构设计的经济性，就是指以最低的成本获得最大的效用，这一目标对于建筑的可持续发展来说，是一条重要的、有效的、节约型的设计方式。
在建筑结构设计中，材料、工期、环境都是经济的要素。对于结构设计师来说，在保证安全的前提下，节约建筑材料是工程师所追求的目标，并且这种材料的节约与结构的安全度并无矛盾与冲突，通过减少不必要的浪费，能有效的降低结构设计的不合理性。
2.2建筑结构优化设计应注意的问题
随着一体化计算机结构设计程序的不断完善和全面应用，把结构工程师从繁重复杂的结构计算中解脱出来。工程师可以在概念、经验和估算的基础上借助计算机进行可靠的分析计算，经过多次计算比较和调整，使结构设计更加合理和经济。但在利用计算机设计程序进行结构优化设计时，要注意以下问题：
1）不能盲目依赖计算机。因计算软件的缺陷和设计人员不加分析地盲从而导致设计错误的现象时有发生，所以对用于结构设计的计算程序的基本理论假定、应用范围和限制条件以及程序与规范的结合一定要搞清楚。
2）对于输入的几何图形、构件尺寸、载荷数据等应认真核对、力求准确无误，避免因数据输入错误造成计算分析结果的错误或较大的误差。比如高层建筑标准层载荷数据的输入出现错误，其累加后对结构计算所产生的影响是不容忽视的，将导致计算结果要么不安全、要么不经济[2]。
3）对计算参数的选取要正确、合理。选取不同的计算参数会得出完全不同的计算结果，要根据实际结构的具体情况和计算程序的功能要求合理选取。
4）注意实际结构与计算模型的差异。所有的计算理论和设计程序都是建立在一些假定和理想的计算模型之上的，而实际结构的受力状态又是千差万别的，一味地依赖计算机或计算手册的计算结果进行结构设计会给结构留下较多的隐患，所以任何构件的计算都应根据实际情况确定结构的约束关系，并利用结构概念、工程经验对计算结果进行分析，判断其是否合理，以确保最终结构设计的正确。
5）正确理解运用规范。作为一个结构工程师，一方面必须熟悉、理解和吃透规范条文的真实含义，另一方面必须客观理性地正确对待规范。在规范条文思想的指导下，针对具体的设计对象、环境和使用条件，以工程的安全性和经济性为目标，创造性地灵活选用规范中的数据[3]。
3.实例分析
3.1工程概况
广西某项目工程，拟建建筑物地上最高为32层住宅建筑，地下部分考虑周边环境的地势、建筑布局情况，局部有三层架空层，建筑物工程重要性等级为一级。结构嵌固层以上层数为35层，嵌固层以上高度为106.5m，结构安全等级为二级，地震设防烈度为6度。基础设计等级为甲级，基础部分是整个工程的核心部分。在投资中所占比例较大。工程所在场地不良地质作用强烈发育，地形、地貌复杂；场地基岩面起伏较大，岩土种类较多且分布不均匀，性质变化较大。以下就该项工程的基础、剪力墙变量的优化设计进行深入分析。
3.2基础方案及优化
根据工程地质剖面图，结合拟建建筑物的特征和施工条件，考虑以较完整的中风化灰岩作为基础持力层，采用机械钻孔桩基础，桩基础嵌岩深度不小于0.5 m。基础设计时优先选用纯桩基础，能满足要求时不必采用桩筏基础，尽量柱下布桩及墙下布桩。高层剪力墙住宅的剪力墙较多，本工程拟采用桩基础加承台及地梁的方式。
原始设计所采用的桩直径种类较多。有1000mm、1100mm、1200mm、1300mm和1500mm几种。原设计中桩类型比较多，但结合工程实际，可以看到桩基的嵌岩深度均为一倍桩径。经统计，直径为1000 mm的桩有8根；直径为1100mm的桩有7根；直径为1200mm的桩有49根；直径为1300mm的桩有9根；直径为1500mm的桩有2根。原设计中在桩位置不变的情况下，存在一定的优化空间，例如，通过调整嵌岩深度来尽量减小桩径，从而减小桩身配筋，降低造价。对原设计进行优化时可以考虑：一是尽量使桩类型减少，这样有利于施工，静载试验与检测也相对容易；二是增加嵌岩深度，调整桩长、混凝土强度等级、桩径来提高单桩承载力和桩身强度，从而减小桩身配筋。工程基础优化前后对比如表所示。
按桩长为20 m计算．基础进行优化前，桩基的混凝土总量为1776.70 ，所用的纵向受力钢筋统计为1296根 14钢筋。对基础进行优化后，桩基的混凝土总量为1296.70 ，所用的纵向受力钢筋统计为944根中14钢筋。优化前后可节约混凝土用量480 ，节约 14钢筋352根。
3.3剪力墙优化分析
图1剪力墙优化设计流程
剪力墙结构整体性能好、侧向刚度大、承载力大，通过合理的设计能有良好的抗震性能。其缺点是空间使用灵活性差，材料消耗大，整个建筑结构自重较大。墙厚过大时宜形成短肢墙，其配筋量将增加许多。剪力墙的长度和厚度是影响材料用量的主要因素，在保证不严重削弱结构刚度的情况下对墙体厚度进行优化是比较有效可行的办法[4]。
剪力墙结构中抵抗水平荷载作用下结构侧向变形的主要抗侧移构件是剪力墙。结构在荷载作用下的侧移要求小于规范要求，则可以对剪力墙的截面厚度和高度进行优化。然而，在工程实际中剪力墙的高度往往受建筑使用功能的限制，一般不能改变，所以把剪力墙的厚度作为设计变量。墙厚要满足墙体稳定性要求，同时还应满足抗剪和抗压承载力要求及轴压比限值要求，具体优化设计流程如图1所示。
在保证墙体稳定性的前提下，尽量不要把剪力墙做得太厚。工程中，剪力墙厚度一般取200 mm为宜。
剪力墙在结构底部所承担的地震弯矩值应不小于总地震弯矩值的50％，沿结构单元两个主轴方向，按地震作用计算出的结构弹性层间位移角应满足相关规范要求；剪力墙的布置不宜过分集中，原则上应尽量做到分散、均匀、周边和对称，剪力墙的数量还应考虑抗震设防烈度、场地土、结构侧移限值等因素。
此外，当地震剪力偏小而层间位移角又偏大时，宜适当加大墙柱截面，提高刚度；当地震剪力偏大而层间位移角偏小时，结构过刚，宜适当减小墙、柱截面，降低刚度；当地震剪力偏小而层间侧移角又恰当时，可以通过放大全楼地震作用来满足剪重比要求。原因在于虽然剪力墙能够大大吸收地震作用，但一味增加墙体厚度并不一定对结构有利。因此，按规范对地震作用进行了放大计算，并按照规范要求进行调整。
4.结语
总的来说，只有加强技术和经济效益的有效结合，通过合理的优化设计方案，才能创造更大的社会效益。当然，在保证结构安全的前提下，尽量优化结构设计，有效地控制工程造价是建筑结构设计人员所追求的目标。本文通过对实例优化分析，人为做好结构优化对工程造价的控制是很有效的。再加上目前工程中有许多新技术、新工艺的运用，新型桩基形式的出现也给施工和设计带来便利。因此优化时应结合工程实际情况．多方面考虑选用合适的优化方法进行优化。
参考文献
[1]康春洪.房屋结构设计中的建筑结构设计优化策略[J].建材与装饰.2018（04）
[2]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）
[3]王俊.结构设计优化技术与其在房屋结构设计中的应用[J].建设科技.2017（04）
[4]徐国闻.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.2016（52）
个人简介：黄德吉（1986.6—），男，广西桂林人，工程师，大学本科，研究方向：建筑工程。
论文作者:黄德吉
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第20期
论文发表时间:2018/11/2
标签：结构论文; 结构设计论文; 优化设计论文; 剪力墙论文; 工程论文; 建筑结构论文; 方案论文; 《建筑学研究前沿》2018年第20期论文;