結構設計優(yōu)化方法在房屋結構設計中的應用

田莉

山東魏橋鋁電有限公司 山東濱州 256200

1 房屋結構設計優(yōu)化技術的理論含義

隨著人口的不斷增加，用地緊張的問題越來越明顯，很多企業(yè)總是試圖尋找可以節(jié)約土地又可以滿足住房需求的辦法，都認為樓房越高越可以省下用地面積，其實這個是錯誤的觀念，在建筑過程中企業(yè)必須要考慮相鄰建筑之間的距離問題，尤其是是在高樓很多的地方，各樓之間必須要保證一定的距離，這樣才可以保證地面對樓層應力的穩(wěn)定性，還要保證樓層間的采光性能，樓層越高樓與樓之間的間隙就應該越大，因此要找到一個平衡點，合理利用地面面積取得最佳的建筑效果。在實際的房屋建筑施工過程中，為實現(xiàn)對房屋建筑質量的提升，對房屋建筑實用性、協(xié)調性以及美觀性的進一步提高，這就要求了施工企業(yè)必須要做好房屋建筑結構設計，并通過對設計優(yōu)化技術的運用來不斷的完善房屋建筑的各個方面，增強房屋建筑的安全性以及合理性，從而為業(yè)主提供更優(yōu)質的房屋建筑[1]。

2 房屋建筑結構設計優(yōu)化的主要作用

2.1 降低建筑成本

房屋建筑結構優(yōu)化設計不但要提升整個房屋建筑的質量和壽命，更重要的是要實現(xiàn)對整個建筑結構的成本控制，從而滿足人們對房屋建筑的多元化需求。現(xiàn)代的房屋建筑結構優(yōu)化設計方法與傳統(tǒng)的結構設計方法相比，更能優(yōu)化資源配置，提高資源利用率，顯著降低了工程投資額度，并且在建設效果上更加實用、科學、合理。在目前我國的建筑工程中，高層和超高層建筑在一定程度上緩解了我國土地資源緊張現(xiàn)狀，滿足了更多人的居住需求，而所占用的土地面積卻沒有增加，相應的成本投入會有所降低，但面臨的施工難度卻相對加大，從而促使設計人員不斷優(yōu)化結構設計方法，創(chuàng)新施工技術，通過滿足施工材料性能的合理性來保證房屋建筑結構質量的要求，不斷的對房屋建筑結構單元進行優(yōu)化組合，將每一單元的功能發(fā)揮到最大，實現(xiàn)最佳合理配置。

2.2 結構設計優(yōu)化的呈現(xiàn)

進行房屋結構設計工作時，主要從房屋的主要功能和安全性出發(fā)，也要綜合考慮房屋整體外觀美觀性和內部結構的合理性。在結構設計優(yōu)化活動時，從便于施工的方向著手，用最直觀的方案實現(xiàn)房屋的美學效果，并且安全實用。這就給房屋設計師提出了更高的要求，在具體設計工作中，設計師需廣泛收集和總結住戶對房屋設計的不同要求，最大程度的提高房屋結構的服務功能。同時要大膽創(chuàng)新，依托平面設計圖融入現(xiàn)代美學設計理念，讓房屋整體結構單元既獨立，又能互相銜接，協(xié)調一致，實現(xiàn)房屋建筑質量和美觀兼具的效果。

3 建筑結構設計優(yōu)化方法在房屋結構設計中的應用

3.1 建立結構優(yōu)化模型

結構優(yōu)化模型的建立首先需要對建筑結構的研究目標參數以及目標參數的影響因素進行分析，常見的研究目標參數包括建筑結構建設的時間周期、結構在一定時間下產生的位移量、結構的總體造價、建筑結構的可靠性等，并對上述研究目標參數的影響因子進行細分，將影響因子作為結構優(yōu)化模型的自變量，結構優(yōu)化模型的構建還需形成一定的約束條件，例如建筑結構中的一些參數值域可知可控的預定參數等，如結構尺寸的約束、應力的約束、裂縫寬度的約束等，約束條件是結構優(yōu)化模型優(yōu)化效果的重要基礎，通常需要保證所有的約束條件均能達到，例如結構尺寸的約束滿足一定的值域范圍，在此基礎上模擬優(yōu)化出的結構優(yōu)化模型才是最佳的建筑結構設計。

3.2 設定結構優(yōu)化設計方案

建筑結構優(yōu)化模型中的研究目標參數即為模型的優(yōu)化對象，以建筑結構的可靠度這一研究目標參數為例，其影響因素眾多，包括構件的尺寸、構件的應力等，在眾多的約束條件下可以形成一個由多自變量、多約束條件構成的非線性優(yōu)化問題，建筑結構的優(yōu)化則是對該非線性問題進行疊代模擬最終求得非線性問題的最優(yōu)解。常見的建筑結構優(yōu)化設計模擬與計算方法有Powell法、拉氏乘子法等。

3.3 結構優(yōu)化程序設計與編碼實現(xiàn)

建筑結構優(yōu)化過程需要對多元非線性問題進行疊代運算以求的最優(yōu)解，結構優(yōu)化計算可以運用現(xiàn)有的結構優(yōu)化軟件中的優(yōu)化功能模塊進行實現(xiàn)，常用的建筑結構分析與優(yōu)化軟件有OptiStruct，也可以優(yōu)化人員自己編寫優(yōu)化程序，滿足自己對建筑結構優(yōu)化個性化計算需求。

3.4 房屋建筑工程結構的優(yōu)化設計

（1）剪力墻結構的優(yōu)化。剪力墻的墻壁應與建筑物的隔墻重疊。在保證剪力墻安全穩(wěn)定的前提下，增加了建筑空間的利用率，提高了施工項目的舒適度。同時還需要使剪力墻的長度盡可能滿足要求，以確保剪力墻的安全性和穩(wěn)定性，減少剪力墻的數量，降低施工和施工的難度，并盡量節(jié)省建筑材料的使用，剪力墻結構通常從頂部到底部連續(xù)布置，并且剪力墻不能重疊，懸掛或未對準。應考慮剪力墻結構上部結構的加強壁盡可能減小墻體的厚度，從而降低剪力墻的配筋率，使剪力墻結構更經濟。

（2）框架結構的優(yōu)化設計。在設計結構方案的過程中，框架結構應與結構計算相結合，以確保柱網和柱間距的合理性，從而確?？蚣芙Y構的安全性和經濟性。在框架結構的整體布局中，應減少施工項目中間部分的剛度，大大提高施工項目兩側的剛度，防止扭轉過大，以及地震整個建設項目的阻力得到加強。框架結構的列和部分必須合適。否則，材料很容易浪費。如果截面太大，不僅會影響外觀，還會影響空間，梁和柱的中心線應盡可能重疊。如果梁和柱的中心線之間的距離太大，則可以考慮梁，框架柱放置在樓梯間的四個角上，以增強框架結構抵抗坍塌的能力。

4 結語

綜上所述，在房屋結構設計中建筑結構設計的優(yōu)化起著非常重要的作用，設計單位應做好設計優(yōu)化工作，積極采用結構優(yōu)化的方式，實現(xiàn)建筑各種功能的統(tǒng)一，滿足人們對于住房的需求。