广东远顺建筑设计有限公司
摘要：目前，结构设计优化的实际应用远落后于相关理论的发展，使得结构设计的经济性较差，这在讲求资源集约节约应用的今天显得非常不合时宜，因此本文对优化建筑结构设计的方法和策略进行了分析。
关键词：建筑结构设计；优化；方法；策略
建筑结构设计的主要任务是满足建筑的功能性、安全性、经济性、美观性、环保性等方面的要求。如果将这些要求看成目标函数，那么驱动目标函数的因素不仅数量众多，而且极为复杂，有些因素可以量化，还有些因素难以量化，所以建筑结构设计优化其实是一个非常复杂的问题。然而，只有经过优化设计，才能在保证功能需求、结构安全的基础上节省占地和投资，带来较佳的经济性和良好的综合效益，因此本文对优化建筑结构设计的方法和策略进行了探讨。
1 建筑结构设计优化的主要方法
从不同角度考虑结构设计优化方法，可分为以下两类：
1.1 从使用工具或理论方面进行优化
主要分为以下几种情况[1]：（1）结构模型及数学计算方面优化。通过合理选择变量、边界条件和设定目标函数（以成本控制为核心），通过求解函数得到最佳的结构设计参数。这类函数一般为非线性函数，需要通过拉氏乘子法、符合型法等简化计算过程得到所求解。但是由于实际结构的复杂性，必然存在设计变量多、约束条件多、建筑功能限制等多方面的问题，经过大量简化处理得到的只能是相对最优解，而且受到设计人员学识、经验方面的局限，有时得到的最优解还存在薄弱环节，为了改善受力状况而增大构件截面，材料消耗不仅没有减少，反而比常规设计增加了。（2）通过概念设计进行优化。结构设计通过概念设计可以在整体上、原理上把握结构设计，并摆脱计算软件的不足，有利于提高设计水平，但这种方法显然与设计人员的经验以及运用概念设计的熟练程度有关。（3）运用价值工程进行优化。价值工程是处理功能与成本关系的方法，也称为价值分析。通过减少过剩或不切实际功能来降低成本，结构设计应用价值工程的目标是实现建筑的核心价值，需要设计人员设法掌握用户的实际需求。
1.2 从建筑部位、专业协调方面进行优化
主要包含以下方面[2]：（1）整体优化，即从建筑的整体设计体系、结构体系、安装体系方面入手进行整体优化。（2）局部优化，也就是针对建筑结构的不同部分进行优化，例如地基与基础结构优化、上部结构优化等。（3）阶段优化或寿命优化。在建筑工程使用年限内，根据各个阶段的特点进行优化。（4）基于结构设计与其他相关专业协调优化，例如结构设计与建筑设计、结构设计与给排水系统、结构设计与电气设计之间的协调优化等。
2 建筑结构优化设计的策略分析
2.1 正确选择结构方案
第一，应采用整体概念构思结构总体方案，并通过对结构与结构、结构与构件关系的处理，使结构和构件在整体上达到最佳受力状态。第二，结构设计时尽量采用传力途径简单、直接、明确的方案，因为复杂的传力途径不仅计算复杂，而且容易出现计算错误，结果反而提高了造价，增加了安全风险。第三，尽量使结构平面的抗侧力刚度中心与建筑的质量中心重合或接近，以减小结构在外力作用下的扭转效应。第四，通盘考虑结构中的所有构件，使其在整体结构中的安全可靠度协调一致，以发挥各个构件的最大效能，在保证安全的基础上降低造价。第五，在项目决策阶段参与建筑方案设计，以使结构设计与建筑设计协调一致。
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2.2 有效选择结构体系
以高层建筑为例，其结构形式有框架结构、剪力墙结构、框架-剪力墙结构、框支剪力墙结构、筒体结构、巨型结构等。选择不同的结构形式，对经济性有显著的影响，而这也正是结构设计优化需要考虑的问题。选择结构体系可从功能适应性、受力合理性、经济有效性、施工方便性、抗灾减灾能力、美学效应等方面进行优化[3]。在建筑结构设计初期可考虑采用遗传神经网络法初定结构形式，并选择可量化指标进行训练和检测；而在设计方案评估阶段可采用模糊综合评价法进行评判，可以利用层次分析法对不可量化指标进行评估。
2.3 合理选择优化方法
结构优化的主要目标是提高方案的经济性，而材料消耗量与经济性有着直接关系。而材料消耗量又与构件截面尺寸相关，但是确定截面尺寸不能通过目标函数求极值的方法获得，只能通过强度计算、位移变形约束条件得到，换句话说需要通过间接优化实现的。以高层建筑结构设计为例，要实现结构方案的直接优化，可采用满应力法进行结构设计。满应力是指桁架杆件内的应力达到材料许可应力，这种情况下材料强度能够得到充分利用，所以构件截面最小，也最经济。采用满应力法进行结构设计，结构中的各个构件可以接近容许应力状态，使得各个构件得到优化。采用满应力法进行设计时，需先按照常规设计方法确定构件截面尺寸，并创建一系列构件尺寸的数据库。然后再进行力学分析确定不同工况条件下构件的约束条件（位移、内力），据此计算构件的承载力。最后按满应力法调整构件尺寸，使构件充分发挥材料性能。
2.4 准确理解和应用规范
首先，像《建筑地基设计规范》（GB 50007）、《建筑结构荷载规范》（GB 50009）、《混凝土结构设计规范》（GB 50010）、《建筑抗震设计规范》（GB 50011）、《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3）等规范是结构工程师经常接触的，尤其是其中的“强制性条文”（简称“强条”）必须不折不扣地执行。作为设计标准，需要准确理解规范条文含义、条件和适用范围，除了“强条”以外的“非强条”其实可以由结构工程师按照自己的学识、经验，在正确理解规范基础上，在保证安全性的前提下，针对实际工程可以灵活采用规范数据。因为规范不可能囊括所有工程中的技术问题，死搬硬套不仅无助于新技术的应用，还会带来不必要的浪费。其次，不应忽视规范中的构造措施。由于结构设计人员普遍采用软件进行结构设计，对结构构造措施没有引起足够的重视。例如抗震设计只关注计算无法获得完善的设计结果，还必须重视抗震构造措施的应用，这已为历次震害分析结果所证明。
2.5 合理选用材料与布置构件
在混凝土结构中，梁柱是主要的受力和传力构件，通过合理选用梁柱材料可提高其承载能力和优化经济性。例如提高梁柱混凝土的标号，减小构件截面尺寸，可增加使用空间，还能减轻结构重量。而梁板主要承受弯矩，若提高钢筋强度，也可减少钢筋用量。再如高层建筑转换层选用型钢混凝土或预应力混凝土，就比采用普通钢筋混凝土在功能、安全、经济等综合效益方面效果更好。在构件布置方面，采用常规梁形式比较经济，但对建筑层高造成不利影响。若选用宽扁梁则能有效减小梁高，增加建筑净高。在建筑总高不变条件下，建筑层数增多，相应地也增加了建筑面积。
3 结语
在建筑结构设计中，一味追求经济效果而降低质量安全标准的做法是不可取的；同样只关注技术要求而忽视成本造价的做法同样是不恰当的。要实现建筑功能、安全、经济、环保等效果的统一，必须对建筑结构设计进行优化，目前已有越来越多的设计人员认识到这一点，相信随着优化方法的不断应用，结构设计中的上述问题有望得到解决。
参考文献：
[1]姚红梅.房屋建筑结构设计中优化技术应用探讨[J].四川建筑，2016，36（3）：228-232.
[2]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，2014，14（8）：23-25.
[3]叶柏龙，于万秀，左露.高层建筑结构优化设计中结构体系优选的探讨[J].四川建筑，2014，34（5）：140-141.
论文作者:曾景威
论文发表刊物:《基层建设》2016年26期9月中
论文发表时间:2016/12/8
标签：结构设计论文; 结构论文; 构件论文; 建筑论文; 应力论文; 经济论文; 方法论文; 《基层建设》2016年26期9月中论文;