建筑結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化的新方法探析

王浩

摘 要：文章就建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的重要意義進行分析，對建筑結(jié)構(gòu)設計的具體內(nèi)容進行闡述，并提出建筑結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化的一些方法，旨在為建筑行業(yè)相關(guān)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)；設計；優(yōu)化設計；分析

1 建筑設計優(yōu)化的重要意義

使用合理的優(yōu)化方法，對建筑的結(jié)構(gòu)設計進行優(yōu)化，既能降低整個工程的造價，還能提升建筑的經(jīng)濟價值，從而能夠有效提升建筑的經(jīng)濟效益。

1.1 使工程的造價降低

建筑工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計在會充分的考慮到現(xiàn)行階段的建筑行業(yè)的發(fā)展趨勢來進行剖析，根據(jù)現(xiàn)行的建筑特點來進行設計，如當前的高層建筑和高層的住宅偏多，因此其層數(shù)很多，在建筑用地面積不變的情況下建筑總面積很大，在面對高層建筑的結(jié)構(gòu)設計時，為了節(jié)省用地，會將建筑物的房頂進行細致的規(guī)劃，可以保證整個工程的總造價降低，節(jié)約成本。

1.2 能夠提高建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟效益

建筑結(jié)構(gòu)的設計需要保證到建筑工程的經(jīng)濟效果，隨著建筑的層數(shù)的增加，高度也會增加，與其相關(guān)的墻體面積、柱體面積及配套的設施如管道等都會增加很多，層數(shù)比較少或者高度比較低時相應的建筑就會節(jié)省一些這樣的荷載。同時，高度越高的建筑，相鄰之間的距離也會比較遠，這樣不利于節(jié)省用地開支的目標實現(xiàn)，如果讓建筑的總高度下降，那各建筑之間的距離也會靠的近一些，這樣可以節(jié)約用地。另外，相同面積的建筑之間，建筑的平面形狀不同會使得其周長不同，越規(guī)則的平面形狀其周長會小一些，并且能夠提高其荷載的性能，增強了建筑的質(zhì)量。優(yōu)化創(chuàng)新后的建筑結(jié)構(gòu)設計相較于傳統(tǒng)的設計，能夠有效降低建筑的總造價，能夠有效的提高建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟效益。

2 建筑結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化的具體內(nèi)容

建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的內(nèi)容可以分為目標函數(shù)選擇、變量選擇、約束條件選擇三個步驟，每一個步驟都涉及到建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的一個方面的內(nèi)容。

2.1 目標函數(shù)選擇

確定建筑結(jié)構(gòu)的目標函數(shù)是建筑設計人員對建筑結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化創(chuàng)新設計時的第一步，通過采用相應的技術(shù)與辦法，以建筑的面積的參數(shù)以及建筑可以達到的安全標準為前提，結(jié)合建筑建設所用的建筑材料等進行系統(tǒng)的規(guī)劃和計算，要保證相關(guān)的參數(shù)在計算的過程中要滿足相關(guān)的需求。合理科學地選擇建筑的工程造價模式是建筑設計相關(guān)人員在建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計過程中必須要進行的工作，要盡量優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設計，在保證建筑質(zhì)量的前提下，降低工程的總體造價。

2.2 變量選擇

建筑工程的設計階段，除了對建筑工程優(yōu)化設計的目標函數(shù)進行正確的選擇，還要對建筑結(jié)構(gòu)的進行變量選擇，變量的選擇對于建筑結(jié)構(gòu)的設計也是至關(guān)重要的。變量選擇，顧名思義就是對影響建筑結(jié)構(gòu)設計的各種會變化的因素進行分析和選擇，并研究其中會對建筑結(jié)構(gòu)設計造成的影響最大的一個因素，然后在實際的設計過程中，對其進行評估計算以及控制其影響程度，以發(fā)揮建筑工程結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化方法的作用。

2.3 約束條件選擇

建筑工程是一個復雜而又系統(tǒng)的工程，因此在實際的設計過程中，受許多約束條件所影響，在對建筑工程結(jié)構(gòu)設計進行優(yōu)化設計時，必須要考慮到建筑工程的約束條件、對約束條件的準確判斷，能夠?qū)崿F(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的最大化。比如，在建筑設計時，設計人員對結(jié)構(gòu)的強度、尺寸、應力等等因素所存在的約束條件進行判斷選擇，要以建筑工程的實際情況作為出發(fā)點，進行科學合理的選擇，使得建筑結(jié)構(gòu)設計的優(yōu)化工作具有模范性和科學性，給建筑工程的施工打好基礎，提高整個工程項目的效率和經(jīng)濟效益。

3 建筑結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化的具體措施

建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法，是由建筑結(jié)構(gòu)的整體設計優(yōu)化方法以及建筑結(jié)構(gòu)的細節(jié)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法這兩個發(fā)面體現(xiàn)出來的。在建筑結(jié)構(gòu)整體的優(yōu)化設計中，要立足整體，全面的分析總體的數(shù)據(jù)，并相互協(xié)調(diào)，確保選出最優(yōu)的優(yōu)化方法。在細節(jié)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計中，要對建筑結(jié)構(gòu)的各個方面進行剖析，合理劃分為不同的部分，逐個解決相關(guān)的選型、布置、造價等幾個部分的優(yōu)化設計，實現(xiàn)降低工程造價的目標。

（1）拓撲優(yōu)化法。拓撲優(yōu)化法，就是通過在建筑結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化過程中，結(jié)合建筑自身的特點以及實際的用途和情況，正確找到理想化的建筑結(jié)構(gòu)分布形式，全面的分析建筑結(jié)構(gòu)的剛度和其他與結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的屬性，來減少建筑結(jié)構(gòu)自身的重量，從而提升建筑的性能。設計人員要充分掌握以及了解拓撲分析方法的優(yōu)點，合理運用拓撲分析方法，使得設計出來的建筑結(jié)構(gòu)擁有很強的邏輯性。

（2）截面優(yōu)化法。截面結(jié)構(gòu)的可靠性以及安全性是建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計時相關(guān)人員必須要考慮的一個重要方面。截面結(jié)構(gòu)作為建筑結(jié)構(gòu)的細節(jié)所在，其性能是最能體現(xiàn)出建筑的整體性能的。在實際的設計過程中，為了保證截面結(jié)構(gòu)的的可靠性與安全性，設計人員要對建筑結(jié)構(gòu)中所涉及的界面進行準確的計算，然后再進行設計，不僅可以提升建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，還可以提高建筑的美觀程度。具體的方法有，可利用有限元方法來計算設計變量的結(jié)構(gòu)位移情況以及應力特點，然后用計算設備對獲得的數(shù)據(jù)進行驗算和分析，得出結(jié)果后，根據(jù)其需求調(diào)整，確定調(diào)整的范圍，在此范圍中再進行區(qū)域優(yōu)化設計。

（3）外形優(yōu)化法。外形優(yōu)化是在界面優(yōu)化的基礎上進行完善的，以達到更好提升建筑的結(jié)構(gòu)設計質(zhì)量的目的。在對建筑結(jié)構(gòu)進行外形優(yōu)化時，相關(guān)人員要對建筑的整體情況掌握得很清楚，再根據(jù)我國現(xiàn)行的建筑柱結(jié)構(gòu)設計的相關(guān)標準，在掌握的建筑的情況的基礎上進行改進。建筑結(jié)構(gòu)的外形特征就是利用外形優(yōu)化法來進行劃分的。外形優(yōu)化方法在實際的實施過程中，通常會采用連續(xù)性結(jié)構(gòu)與桿系結(jié)構(gòu)。建筑結(jié)構(gòu)的節(jié)點坐標選取是桿系結(jié)構(gòu)的重要環(huán)節(jié)，節(jié)點坐標在選取好后，要將其作為設計的一個變量，來實現(xiàn)建筑外形優(yōu)化設計的目標及需求。

（4）細節(jié)部分結(jié)構(gòu)設計與概念設計相結(jié)合。概念設計優(yōu)化方法，是在比較缺乏詳細的相關(guān)數(shù)據(jù)的情況下進行的。某些因素是具有不確定性的，比如地震，在對建筑的抗震能力進行設計時，由于缺乏詳細的數(shù)據(jù)，只能通過概念設計的優(yōu)化方法，將一些存在的數(shù)據(jù)當作輔助來進行。同時，通過結(jié)合上訴的一些結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，使得優(yōu)化效果更佳。另外，在設計的過程中，對建筑結(jié)構(gòu)的細節(jié)部分進行優(yōu)化設計是必須要做的工作，如現(xiàn)澆混凝土施工過程中，異形板料的彎曲部分容易開裂是一個比較突出的問題，對此我們將其進行簡化，然后再選擇鋼筋，這樣能有效的降低混凝土出現(xiàn)開裂現(xiàn)象的幾率，不僅提高了經(jīng)濟效益，最重要的是滿足了建筑結(jié)構(gòu)的基本需求。

（5）對地基結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計。對建筑的地基進行優(yōu)化設計也是優(yōu)化整個建筑結(jié)構(gòu)的有效方法。選擇合適的方案對于地基的結(jié)構(gòu)優(yōu)化來說很重要，例如，樁基類型的選擇，要以實際的施工情況為準，并實現(xiàn)降低造價的目標，然后以樁端持力層的厚度為參考，選擇科學合適的灌注樁長度，且對不同的優(yōu)化方案進行集中對比，盡量使得選擇的方案是最佳的。再比如，樁筏基礎是某建筑結(jié)構(gòu)的原有設計方案，通過把該設計利用的樁筏基礎改為樁基礎的優(yōu)化方法，設置不同的承臺，在此優(yōu)化中，在保證總的沉降值和不均勻沉降值的前提下，顧及到的是基礎傳力的傳遞路勁越短會越省材料的原因。與樁筏基礎設計方案相比，樁基礎是一個更好的選擇。

4 結(jié)束語

綜上所述，建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計能夠使得建筑質(zhì)量更好、更加美觀、降低工程造價以及提升建筑的經(jīng)濟效益，在建筑行業(yè)競爭激烈的今天能夠提高企業(yè)的競爭力，也能夠為人們帶來更有安全保障和質(zhì)量保障的建筑物，因此其在建筑工程中是一個很重要的環(huán)節(jié)。但在建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計在實際的實施過程中，是比較復雜的，需要多方面的出發(fā)，充分結(jié)合實際的情況選擇科學合理的方案，以實現(xiàn)對建筑結(jié)構(gòu)進行最佳的優(yōu)化目標。

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