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摘要：随着社会经济发展水平的不断提高，人们的生活得到极大改善，同时对房屋的功能性提出了更高的要求。对于现代建筑设计而言，不仅要考虑安全、实用及施工便利，同时还要保证一定的经济性、美观性。这就要求建筑师在对相应的建筑结构进行设计时，不仅要保证结构的安全、可靠，同时应使各项资源得到合理利用。
关键词：建筑设计；结构；房屋结构；优化设计
社会经济的不断发展促使建筑领域的竞争日趋激烈[1]，同时随着人民生活水平的不断提高，又对建筑物的经济、美观及安全提出了更高要求。这就要求建筑师在结构设计时，必须进行相应的优化，以便在保证施工的便利性之外，获得更好的安全性、合理性、经济性及美观性。以下将对建筑结构优化设计的理论及其在房屋结构设计中的具体应用进行详细阐述，以供参考。
一、建筑结构优化设计理论
建筑结构优化设计方法在实际中的具体应用主要体现在两个方面[2]：一方面是基于房屋结构总体的优化设计，另一方面为房屋分布结构的优化设计。其中房屋结构总体优化主要围绕包括屋盖结构、围护结构及其结构细部等在内的结构进行方案优化，同时附加包括结构的选型、布置、受力及造价在内各个方面的问题，然后根据工程实际并结合建筑结构的经济性，对建筑结构就行优化分析。
为此需要针对建筑结构选型进行科学合理的创新，在保证建筑结构的安全性的基础上，设计新的结构形式。在对建筑结构进行设计时，要尽量减小建筑物刚度中心与质量中心的差异，同时还要尽可能保证平面结构的规则性和对称性。建筑物在水平荷载的作用下，不应产生较大的扭转，并且在竖直方向上尽量将承重构件上下贯通。尽量不采用转换层结构，以减少结构设计的难度并提高经济性。
二、结构设计优化的重要性及现实意义
对建筑物进行结构设计优化，在房屋结构设计中具有重要的现实意义。优化后的建筑不仅满足实用性和美观性的要求，同时还具有一定的工程经济性，从而有利于控制工程造价。通过与传统结构设计方法的比较可知：结构优化设计方法的运用可以降低工程造价6%-35%，并且优化后的建筑结构内部每一部位都达到最优协调，同时保证了材料的高效合理利用。
三、结构优化设计方法在房屋结构设计中的步骤
1、建立建筑结构优化模型
（1）科学选取设计变量
在选取设计变量时，应将影响建筑结构的主要参数作为变量。如与目标控制有关的参数（建筑结构造价c1、建筑损失期望c2）和与约束控制有关的参数（可靠度PS）等；对于主要因素之外的其他因素，其影响及变化范围均较小，且由局部相关性要求就可以满足相应的设计要求，一般可采用预定参数的方法表示。
（2）确定目标函数
在优化建筑结构时，为了将建筑工程造价尽可能降到最低，必须找到一组截面尺寸，使其满足预定条件，同时要确定该截面尺寸下钢筋的截面面积和失效概率函数。
（3）确定约束条件
对房屋结构进行优化设计，须确保一定的可靠度，因此需要确定结构的项管约束条件。结构的约束条件主要有尺寸约束、结构强度约束、裂缝宽度约束、构建单元约束、结构体系约束及应力约束等。
2.确定优化设计方案
由结构设计的模型选取过程可知，采用可靠度理论对建筑结构进行优化设计包含了很多约束条件及非线性变量。此时，需要将有约束的优化通过转换变成简单的无约束来进行求解。通常采用的转换方法有拉格朗日乘子法、Powell法等。
3.设计优化程序
根据前两步选取的模型及优化设计方法，编写相应的功能综合且能快速计算的程序。从而保证优化设计更加高效有序的进行。
4、结果分析
综合问题的各个角度对计算结果进行比较分析，确定最优的设计方案。最优方案的选择对结构优化至关重要，一个合理的设计方案，不仅可以满足安全性、实用性及美观性的要求，还可以保证建筑的合理经济性[3]。
以下为建筑结构设计的一个实例，选取了框架-剪力墙结构中剪力墙的竖向弯矩进行了分析，结果如下。
图1 铰接框-剪结构在倒三角形水平荷载下的总剪力墙弯矩竖向分布曲线族
由图示可以得到如下结论，当λ取1-2.5时，框-剪结构的刚度分布最为合理，剪力墙的大部分区域剪力去正值，整体结构最优化。
四、建筑结构优化设计方法具体应用
1.房屋整体与局部优化
在对房屋结构设计优化时，需要综合考虑建筑的不同层次体系，即对整体[4]、结构及安装等各个系统采用相应的优化方法。从而达到对建筑物整体及局部的综合优化效果。
2．建筑寿命全过程优化
在建筑物的整个寿命周期内，需要针对使用周期内的不同阶段设计相应的优化方案。每个阶段的特点不用，因此需要针对各个阶段的特点确定科学的优化方式，从而优化建筑物的整体寿命。
3．基础与上部结构的优化
对于桩基础工程的施工，在符合沉降标准的前提下，优先选用预制桩，可以减少相应的施工工序，有效控制成桩质量。
对于建筑主体结构的优化，重点是尽量控制刚度中心与结构重心的一致性。方法采用合理布置剪力墙，使结构受力更加均匀。减少地震及风等水平荷载对结构的破坏作用。
4．同排水、电气优化相协调
对建筑结构结构的优化设计须保证与管道的布设及预留洞口的优化相协调
五、结语
建筑结构优化设计对于建筑物的设计具有重要的意义。一个合理的结构优化方案不仅可以保证建筑物的科学性、实用性及美观性，还能减少建设过程中不必要的资源浪费，从而获得更好的经济性。因此，有必要对建筑结构优化设计进行系统的研究。
参考文献
[1]范国兴.建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用研究[J].鸡西大学学报，2014，08：23-25.
[2]王也.建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用[J].中华民居（下旬刊），2013，03：81-82.
[3]周世炜.高层建筑结构抗震分析与优化设计[D].西安建筑科技大学工程硕士学位论文，2004.
[4]万年春.脑瘫建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用[J].城市建筑理论研究，2013.
论文作者:菅伟
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年2期
论文发表时间:2019/6/6
标签：结构论文; 建筑结构论文; 结构设计论文; 优化设计论文; 建筑论文; 方法论文; 建筑物论文; 《建筑学研究前沿》2019年2期论文;