陈火涛 吕金钊 罗森 陈钰璐 陈湧填
华南农业大学水利与土木工程学院 广东广州 510642
摘要：对建筑结构优化设计理论进行了概述，并重点介绍了基于可靠度理论的工程结构优化设计，概念设计在结构优化设计中应用，高层混凝土结构的优化设计以及高层剪力墙结构的优化设计四个方面，为结构的优化设计提供参考依据。
关键词：结构设计；优化；应用
结构优化设计的任务，就是以数学规划为基础，将力学的概念、理论和近似方法和数学规划方法结合，转化成数学问题，建立数学模型，选择计算方法，运用计算机在多种可行性设计中，选择出相对而言属于最优的设计方案，达到兼顾经济性，安全性，舒适性的目的。其步骤可分为设计变量，建立目标函数，确定约束条件，经过计算分析得出优化的计算结果。[1]当然除此之外还有一些构造上及概念上的优化措施，将在概念设计，高层剪力墙结构与高层混凝土结构的优化设计中重点论述。
1.基于可靠度理论的结构优化设计
结构的可靠度指结构在设计的基准期内能够承受施工过程中以及正常使用期间的各种外加荷载和变形，有较好的工作性能，耐久性满足正常使用要求，在偶遇灾害如地震，海啸，爆炸等发生时保持必要的整体稳定性。[2]
从工程结构的可靠度理论角度分析，传统的结构优化设计存在以下几点不足：①传统的结构优化并没有完全反映体现结构的可靠性，也没有定量描述可靠度理论，得出的最优结构并不能确保结构具有足够的可靠性。②由于结构构件的尺寸和材料的性能参数具有随机不确定性，而传统结构优化设计并没有考虑这些因素因此并不能反映参数不确定性这一特点。基于以上分析论述，结构的可靠度要求考虑进工程结构优化设计的数学模型中，文献[3]给出了基于可靠度约束的结构优化算例，在结构可靠度分析基础上进行结构优化设计，实现经济合理的设计方案。
2.概念设计在结构优化设计中应用
概念设计，即在建筑物施工前，设计人员考虑建造地周围的地理环境、文化环境与社会环境等，提出相应的建筑结构设计方案，优化建筑结构设计，以期达到进一步融合周围环境与社会环境的目的。概念设计有效弥补理论性设计与计算性设计的不足，使结构设计方案更科学合理；进行抗震设计时概念设计能在降低地震作用效应的同时提高建筑工程的质量和安全性；科学合理的概念设计拓展了建筑物的结构设计思路，增强工程质量、安全性及工程造价。[4]
2.1应用概念设计可在多个建筑结构施工方案中择优而用。
概念设计使得建筑结构施工方案具有合理性、实用性和经济性，这要求设计人员在优化建筑结构时，充分考虑建筑物建成后的目的、抵抗外界环境的能力需要、施工条件、施工材料等因素，从而制定并选取科学合理、全面系统的建筑结构施工方案。
2.2概念设计中应用抵抗自然灾害的能力设计。
概念设计应与时俱进、因地制宜，如考虑抗震能力设计、防火能力设计、抗击风荷载能力设计等，充分考虑现代建筑结构需要适应的社会环境与自然环境，在建筑结构满足工程施工要求的同时，优化结构，使工程中各个构件环环相扣，增强建筑工程的安全性。
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3.高层剪力墙结构的优化设计
剪力墙结构体系由于整体性好，侧向刚度大，抗震性能优越，且由于没有梁柱的外露突出，结构层平整，利于房间布置，因而被广泛应用于高层住宅性建筑中。对该结构体系进行优化需考虑钢筋混泥土用量大造价高，剪力墙中墙肢轴压比偏低的承载力发挥不充分，采用构造配筋的墙体延性低等常见问题，[5]如何对剪力墙结构体系进行优化，使其既发挥其抗侧能力强等优点，又降低工程造价，现就以下几方面进行论述。
3.1强周边，弱中部。剪力墙应尽量布置在结构周边，中部减少剪力墙的布置量，以提高结构的抗扭刚度，控制结构的周期比与位移比。另外，剪力墙宜沿主轴方向或其他方向双向布置，避免单向布置，并宜使两个受力方向的抗侧刚度接近。
3.2多均匀长墙，少短墙。选择对结构承受水平及竖直向荷载有利的隔墙位置布置剪力墙，尽量设置为长墙，以充分发挥剪力墙的作用。在较长的剪力墙宜开设门窗洞口，上下对齐、成列布置，形成明确的墙肢和连梁，将其分成长度较均匀的若干墙段，墙段之间宜采用弱连梁连接。
3.3剪力墙应自下到上连续布置，允许沿高度改变墙厚和混凝土强度等级，或减少部分墙肢，使侧向高度沿高度逐渐减小。这样一方面可以避免刚度突变，另一方面可以减轻自重，降低工程造价。
3.4尽量采用普通剪力墙和使墙肢长度较长，并且两端与翼墙相连，减少小墙肢和短肢墙的数量。应尽量减小墙肢长度的差异，使各片剪力墙分配的地震作用力均匀。这样发挥了剪力墙的抗侧移刚度，在满足规范层间位移角限值的情况下，减少剪力墙的数量；同时减少了开洞的数量和其两端边缘约束构件的数量从而减小暗柱的构造配筋面积，使得工程造价降低。
4.高层混凝土结构的优化设计
高层建筑的特点是建筑结构需同时承受水平和竖向的荷载作用。混凝土是高层建筑设计中的重要考虑因素。在进行结构设计时要充分考虑各种因素，确保结构的强度，刚度和延性均处于合理范围，高层混凝土结构的优化设计具体措施有以下几个方面。
4.1合理使用高强砼和高强钢筋
强砼和高强钢筋高优化构件截面尺寸的合理使用，可以减轻地基的承载量和高层建筑自重，从而减小超高层受地震破坏的程度。还减低施工单位的成本，使经效益最大化。
4.2布局优化
高层建筑宜使结构平面形状简单、规则，适合刚度和承载力分布均匀的结构单元。
4.3 抗震结构的优化
在工程建设中，采用高标号的钢筋混凝土可以减少主要受力体梁柱等构件的横截面，减轻结构本体的重量，提升建筑的抗震能力。同时要考虑建筑材料的品种、质量、价格以及对周围环境的适应程度来保证建筑的抗震能力。
4.4 剪力墙的平面布置
剪力墙宜沿周边均匀，相对集中布置：宜沿主轴方向或其他方向双向布置：宜墙肢截面宜简单规则：宜减少短肢剪力墙的数量。
5.结束语
目前已经有结构优化的计算模式研究成果得到应用，相对于传统的结构设计，优化设计因其经济效益和科学合理性而得到越来越广泛的应用。[6]作为高层剪力墙结构和混凝土结构在目前来看是高层建筑中应用的较广的结构，在本文中重点论述其优化措施，为相关设计人员提供参考。
参考文献
[1] 谢淮宁. 结构优化设计在工程实践中的应用_谢淮宁[J]. 山西建筑，2006年1月
[2] 刘玉彬. 工程结构可靠度理论的研究现状与展望_刘玉彬[J]. 大连民族学院学报，2006
[3] 段宇博. 基于可靠度约束的高层建筑结构优化设计_段宇博[J]. 自然灾害学报，1995
[4] 井维. 探讨概念设计在高层建筑结构优化设计中的应用_井维[J]. 门窗，2013，
[5] 陈耀. 高层建筑剪力墙结构优化设计分析探讨_陈耀[J]. 福建建材，2011；
[6] 钱令希. 结构优化设计理论与方法的某些进展_钱令希[J]. 自然科学进展，1995.
论文作者:陈火涛,吕金钊,罗森,陈钰璐,陈湧填
论文发表刊物:《基层建设》2015年23期供稿
论文发表时间:2016/3/28
标签：结构论文; 优化设计论文; 剪力墙论文; 建筑结构论文; 概念论文; 刚度论文; 高层论文; 《基层建设》2015年23期供稿论文;