建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中的運用分析

摘要：伴隨著不斷提升的社會生活和發(fā)展，人們開始對建筑的實用、美觀、經(jīng)濟和安全性有更高的標(biāo)準(zhǔn)，房屋建筑構(gòu)造直接影響房屋的使用功能，所以設(shè)計實現(xiàn)優(yōu)化就非常關(guān)鍵。建設(shè)建筑的同時建筑構(gòu)造方面投入資金比較大，為了降低這部分投入需要持續(xù)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，保證建筑質(zhì)量安全的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)建筑設(shè)計規(guī)劃，將建設(shè)方案擬定，科學(xué)安排施工工程，將總體構(gòu)造施工控制，保證企業(yè)經(jīng)濟效益增長。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計；房屋結(jié)構(gòu)；設(shè)計優(yōu)化

1 建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法在房屋建筑中的重要性

從我國目前的形勢和發(fā)展趨勢來看，近期住房建設(shè)主要用于高層住宅或超高層住宅?；谶@一客觀現(xiàn)實，如何盡可能減少投資資金，確保建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計符合時代發(fā)展的需要，已成為眾多建筑企業(yè)和投資者日益關(guān)注的問題。

為了優(yōu)化房屋結(jié)構(gòu)，施工人員必須以確保建筑質(zhì)量和安全為前提和基礎(chǔ)，認真分析設(shè)計方案的細節(jié)，采用更先進的設(shè)計理念和技術(shù)來控制成本該項目。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，與沒有設(shè)計優(yōu)化的建筑相比，在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化后，成本可降低8%-22%。但是，在實際操作過程中，由于各種條件的制約，要真正開展，我們需要面對很多困難，也不能充分發(fā)揮其優(yōu)勢。

優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計之后，工程造價的資金投入便能得到有效地降低，從而讓企業(yè)能夠贏得更高的經(jīng)濟效益。此外，優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計之后，可以實現(xiàn)房屋結(jié)構(gòu)中各個單元的有機整合，從而提升了建筑的質(zhì)量，對人們的居住安全給予了重要保障。因此，要想對房屋結(jié)構(gòu)具有更強的適用性與更好的經(jīng)濟性，優(yōu)化房屋的結(jié)構(gòu)設(shè)計，是一條行之有效且非常重要的途徑。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法

根據(jù)設(shè)計要求，將力學(xué)概念和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計有機地結(jié)合起來，使計算中涉及的數(shù)量部分出現(xiàn)在變量部分，然后利用數(shù)學(xué)方法形成結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方案域，找到最優(yōu)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案，可以滿足領(lǐng)域的要求。因此，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計不僅可以提高整體設(shè)計水量和設(shè)計質(zhì)量，還可以降低整體工程造價，提高經(jīng)濟效益和社會效益。住宅工程子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計包括基本結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計，屋面系統(tǒng)方案，圍護結(jié)構(gòu)方案和結(jié)構(gòu)細節(jié)設(shè)計。上述方面的優(yōu)化設(shè)計還包括選擇，布局，應(yīng)力分析，成本分析等。在實施過程中，不僅要從實際原則出發(fā)，還要結(jié)合具體項目的實際情況，圍繞住房建設(shè)綜合經(jīng)濟效益的目標(biāo)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。在滿足設(shè)計要求后，應(yīng)盡量減小剛度和質(zhì)心之間的差異，以便制定布局規(guī)則。水平荷載不會使建筑物有太大的扭轉(zhuǎn)作用，為降低應(yīng)力集中，豎直方向上應(yīng)避開使用轉(zhuǎn)換層。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的本質(zhì)以力學(xué)理論和數(shù)學(xué)規(guī)劃理論為理論基礎(chǔ)，以計算機技術(shù)為工具，對建筑結(jié)構(gòu)涉及到的各個變量進行尋找優(yōu)化決策的先進的設(shè)計方法，其本質(zhì)就是求極值問題。（1）優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。建立正確合理的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵步驟，基于正確的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型是得到正確優(yōu)化結(jié)果的基礎(chǔ)。例如，在優(yōu)化模型中，數(shù)學(xué)模型中的等式約束個數(shù)應(yīng)當(dāng)小于設(shè)計變量的個數(shù)，這樣才能求得最優(yōu)解。（2）優(yōu)化數(shù)學(xué)算法和優(yōu)化迭代控制。對于建立的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，雖然可用的優(yōu)化算法有多種，但是采用不同的優(yōu)化算法所得到的優(yōu)化效果和所花費的求解時間會有差別。所以，快速、有效的數(shù)學(xué)優(yōu)化算法也是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的一項關(guān)鍵技術(shù)。（3）結(jié)構(gòu)分析方法。絕大多數(shù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計問題難以采用解析法求解，而是采用數(shù)值法的方法。數(shù)值解的尋優(yōu)實際上是一個優(yōu)化迭代過程，而每次優(yōu)化迭代都需要進行結(jié)構(gòu)分析。實現(xiàn)以上提到的關(guān)鍵技術(shù)需要經(jīng)過建立可靠的優(yōu)化模型，然后采用適當(dāng)?shù)膬?yōu)化算法進行求解。這其中選擇計算簡便且正確率高的優(yōu)化算法顯得尤為重要。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)的實踐應(yīng)用

建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的合理應(yīng)用，不僅達到了降低成本的目的，而且達到了建筑結(jié)構(gòu)更合理的初衷，有利于經(jīng)濟效益和社會效益的結(jié)合，滿足人們居住的多方面要求，達到最優(yōu)的設(shè)計理念。

3.1 建筑地基的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

加強結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用，希望能夠設(shè)計出更加以人為本的科學(xué)的住房結(jié)構(gòu)。建筑的基礎(chǔ)是整體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部分，也是優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵部分，只有完成基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計才能實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計，才能保證后續(xù)施工設(shè)計的優(yōu)化。根據(jù)建筑物的總體規(guī)劃和服務(wù)功能的不同，基礎(chǔ)施工優(yōu)化的方法也不同。結(jié)合實際建筑物的特點，精確測量地形數(shù)據(jù)，優(yōu)化時，首先考慮建筑物的穩(wěn)定性作為前提，其次考慮項目的成本，最后得到最優(yōu)方案。

3.2 砌體結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化

磚砌體在房屋建筑結(jié)構(gòu)中主要擔(dān)負著抵抗側(cè)向位移和承重的作用，它的布置方式較為多變，卻并不適宜在躍層結(jié)構(gòu)或表現(xiàn)出過大的受力結(jié)構(gòu)中。通常應(yīng)該對其進行以下方面的優(yōu)化：優(yōu)化平立面結(jié)構(gòu)，保證建筑形體的規(guī)則性；抗側(cè)力構(gòu)件平面布置宜規(guī)則對稱；側(cè)向剛度沿豎向宜均勻變化。縱向抗震墻體在建筑整體中，必須保證有三條以上，合理規(guī)劃門窗的開口規(guī)格，一般要將寬度控制在2m或2m以下，這樣的設(shè)計有利于增加建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。

3.3 剪力墻的設(shè)計優(yōu)化

連梁是剪力墻優(yōu)化設(shè)計中最重要的環(huán)節(jié)。如果連接梁的切割程度增加，則建筑結(jié)構(gòu)的地震作用將增加，同時，連接梁和壁肢的內(nèi)力分布將大大增加。因此，這里的部件的加強構(gòu)造應(yīng)適度增加，從而避免不必要地浪費建筑材料。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，不應(yīng)選擇大剛度窗下的墻作為連梁的設(shè)計，應(yīng)該是將耦合梁設(shè)計成具有較小剛度和橫截面的弱耦合梁。在滿足結(jié)構(gòu)剛度和變形程度要求的條件下，應(yīng)考慮經(jīng)濟和變形能力，合理安排構(gòu)件。一般來說，設(shè)計的剪力墻越多，建筑結(jié)構(gòu)的橫向阻力越大，從而減少了建筑結(jié)構(gòu)的位移，但導(dǎo)致地震力的增加?；谏鲜隹紤]，在剪力墻設(shè)計中必須掌握對稱性，分散性和均勻性的基本概念，剪力墻的數(shù)量必須通過水平位移的極限準(zhǔn)水平控制。

3.4 房屋建筑結(jié)構(gòu)細部設(shè)計優(yōu)化

為了優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計，我們不僅要注重整體設(shè)計，還要注意每個細節(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計。例如，在現(xiàn)澆樓板的設(shè)計中，為了消除角裂縫和均勻的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，必須將異形板分成矩形板。對于建筑物結(jié)構(gòu)底部的框架抗震墻，加固配置通常較大。如果采用冷軋帶肋鋼筋進行材料選擇，可以適當(dāng)減少加固配置，更便于施工，達到控制工程造價的目的。

4 結(jié)語

將建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法應(yīng)用于房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中，能夠?qū)崿F(xiàn)提高建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性、降低工程總造價的目標(biāo)。選擇科學(xué)合理的建筑材料，將優(yōu)化設(shè)計方法運用到前期設(shè)計、建筑地基設(shè)計、節(jié)能指標(biāo)選擇等諸多環(huán)節(jié)，不僅能節(jié)約建筑工程成本，而且還能使建筑物實現(xiàn)美觀性與功能性的統(tǒng)一，實現(xiàn)更好的經(jīng)濟和社會效益，更加符合科學(xué)發(fā)展觀和可持續(xù)發(fā)展理念的要求。

參考文獻

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作者簡介：李勇（1988.12.01），男，漢族，陜西省西安市，長安大學(xué)土木工程本科，建筑工程（結(jié)構(gòu)）專業(yè)助理工程師。

（作者單位：西部機場集團置業(yè)（西安）有限公司）