淺析鋼筋混凝土結構優(yōu)化設計

黃園園

（山東興華建設集團有限公司，山東 青島 266000）

進入到21世紀之后，鋼筋混凝土結構取得了非常廣泛的應用，建筑工程項目的高度逐漸增加，隨之而來的是其復雜性逐漸增大，土建工程的成本所占比例越來越大。在設計的過程中，要進行必要的結構優(yōu)化配置，保證其達到科學性、合理性的要求，并且可以提升結構的安全性。因此，設計人員需要充分的重視結構優(yōu)化。

1 鋼筋混凝土結構優(yōu)化設計的意義

任何一個項目的開工建設都要經過策劃、設計、施工等三個環(huán)節(jié)，在這三個環(huán)節(jié)中，雖然設計環(huán)節(jié)中的總成本在整個項目中成本占1%～2%，而設計階段對于整個項目的經濟性存在最為直接的影響，其可以影響整個項目70%以上的成本，所以，在施工中需要合理地進行設計方案的優(yōu)化配置。但是目前的工程項目設計環(huán)節(jié)，應該進行結構優(yōu)化配置，也可能是因為工程量巨大、設計任務繁重、時間緊張等問題，在確定結構方案只是通過人為經驗來確定，造成了方案的經濟性無法滿足需要，最終導致了結構設計方案難以達到科學性與合理性的要求。截至目前，還沒有一個能夠使用到大多數的結構優(yōu)化的數學模型，很多情況下需要進行適當的處理，最終保證其結構性能達到承載性能的需要，這就是最優(yōu)解，也是結構設計的核心。

2 鋼筋混凝土結構優(yōu)化設計方法

在鋼筋混凝土結構優(yōu)化設計的過程中，不同的方案采用的優(yōu)化方式也是不一樣的，以下對其結構優(yōu)化設計方法進行深入分析。

2.1 設計方案的優(yōu)化

根據傳統(tǒng)的結構優(yōu)化設計理念，在具體優(yōu)化設計的過程中應該從截面、形狀、拓撲、布局、應力等幾個方面出發(fā)。

2.1.1 截面優(yōu)化

該方面的優(yōu)化主要指的是根據實際需要來選擇合適的截面尺寸，應用數學計算方式來確定，選擇最優(yōu)化的計算方法。這種優(yōu)化方式較為簡單，目前經過多年的研究之后已經日趨成熟，優(yōu)化效果也非常高。根據實踐經驗來確定一個假定的尺寸，然后進行結果的驗算，并且需要進行方案的優(yōu)化設計，對比不同截面尺寸之下的配筋率的經濟性，從而可以明確最佳方案。

2.1.2 形狀優(yōu)化

形狀優(yōu)化主要是將結構形狀的邊界作為變量，在進行邊界點的匯集之后，然后利用這些點進行形狀優(yōu)化，其主要是應用到網架、桁架等結構部分的設計中。但是在應用的過程中，其變量比較多，優(yōu)化之后的邊界點不能達到光滑性、連續(xù)性的要求，雖然應用參數化的設計可以有效地解決該問題，但是其截面與形狀兩個變量，工作量會比較大，這種優(yōu)化方式還需要完善。

2.1.3 拓撲優(yōu)化

拓撲優(yōu)化主要是利用模型分析來實現，在分析中通過有限元模型的設計，可以直接把設計中的拓撲優(yōu)化直接轉化成為結構尺寸優(yōu)化，這種方案可以在應用中得到最優(yōu)方案，目前該方案還處于研究試驗階段。

2.1.4 布局優(yōu)化

布局優(yōu)化問題最為煩瑣，在設計中的空間維數也會非常高，如果計算的過程中沒有合理地確定相應參數，會導致其結果受到一定的影響，無法確定最優(yōu)解。這種方法還處于研發(fā)試驗階段，技術水平比較低，只是應用在少數的工程項目中，未來還需要加大力度進行研發(fā)，從而可以滿足實際使用的需要。

2.1.5 滿應力優(yōu)化

桿系結構設計時，因為桁架材料、幾何尺寸不變，所以，在設計中應該保證各個桿件在最大荷載的影響之下要接近容許應力，保證其結構的經濟性達到要求，此時可以根據工程的實際情況來選擇最優(yōu)化的設計方案，以獲取最優(yōu)化的設計方案，這就是滿應力優(yōu)化。這種方式非常簡單，操作起來也比較方便，并且在優(yōu)化的過程中材料、幾何外形等都是定量，不會發(fā)生任何變化，所以，在優(yōu)化的過程中比較簡單，工作效率、工作質量都比較高。這種方法在確定外部載荷最大的情況下，結構材料可以達到容許應力的要求，從而可以保證材料的消耗在最低限度內，可以充分地發(fā)揮出材料的綜合性能，最終可以實現工程項目的優(yōu)化。

但是在應用滿應力優(yōu)化的過程中，應該準確計算最大荷載組合應力，并且需要根據數據計算的結論來實施初步設計；然后就是根據工程的實際情況進行必要的結構尺寸、配筋率的調整，要滿足整個結構的最大容許應力需要，從而可以更好地發(fā)揮出材料的綜合性能。

2.2 影響設計方案優(yōu)化的其他因素

2.2.1 能否精確計算荷載值

荷載的精細化計劃更加的簡單，其優(yōu)化效果也非常好，例如，在進行墻體結構的荷載計算過程中，要根據其高度、寬度尺寸來進行計算，此時需要扣除墻體開洞之后所減少的數量；樓面荷載應該根據需要來選擇功能性的合理參數值，同時需要適當地折減活荷載參數；合理確定風荷載、抗震性能要求等，然后按照本條的荷載要求來確定最佳的荷載系數，從而可以達到最優(yōu)化的方案需要。

2.2.2 能否深入學習規(guī)范，準確理解規(guī)范

全面學習國家建筑標準和規(guī)范，理解其具體的含義，并且需要在工程中盡量減少結構與材料的浪費，設計人員應該充分掌握各項設計規(guī)范，并且逐漸應用到實踐中。例如，剪力墻在布置的過程中，應該保證其構造配筋的量達到要求，不能根據內力來確定；構件設置多排鋼筋的過程中可以根據需要來適當增加截面積尺寸，防止出現多排鋼筋布置的情況，并且需要適當增大截面高度尺寸。

2.2.3 能否注意結構與建筑專業(yè)協(xié)調

建筑設計中應該從結構設計的角度出發(fā)，要保證房間的設計標準達到統(tǒng)一性的要求，并且需要保證其外形更加簡單，避免結構出現錯層的問題，同時應該保證形心與中心重合到一條直線上，不能出現扭轉的問題。

2.2.4 能否合理選用鋼筋和混凝土標號

高強度鋼筋的強度比較高，與普通鋼筋相比有著非常高的優(yōu)越性，而高強度鋼筋的性價比更高，所以，需要選擇高強度鋼筋，同時需要合理控制結構的配筋率，并且要加強水泥標號的控制，這是因為標號比較低的情況下極易出現開裂的問題，也會導致后續(xù)的維護與保養(yǎng)費用較高，經濟性較差。

2.3 鋼筋混凝土結構優(yōu)化時應注意的問題

在進行工程項目優(yōu)化設計的過程中，需要充分考慮到優(yōu)化精度的要求，但是不能過度的追求精度而忽視與工程實際情況的匹配度。首先，變量的數量對于復雜性有著直接的影響，變量數量過多，其需要的優(yōu)化設計時間也會越長，所以，在變量選擇中應該對于構造影響較大的變量進行全面考慮，對于次要變量需要充分考慮。其次，在規(guī)范規(guī)定優(yōu)化設計的過程中，要保證約束條件達到要求，需要將構造中的參數看作約束條件進行優(yōu)化，從而可以進一步地減少變量的數量。第三，結構優(yōu)化目標函數能夠直接影響優(yōu)化質量，所以，在實際中應該根據需要選擇合適的目標函數，從而可以保證其最終的方案達到最優(yōu)化的要求。

3 結語

總之，工程項目的優(yōu)化設計過程中，需要考慮到項目的安全性、耐久性等方面，應該保證其各個結構都能夠達到可靠性的要求，同時應該符合經濟性的要求，要為企業(yè)創(chuàng)造更高的經濟效益，并且各個結構都要達到預期的功能，以滿足實際使用的需要。