建筑结构优化设计浅析

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摘要：投资者的终极目标是实现利益的最大化。工程投资中最主要的部分是工程造价，进行合理的结构优化设计可以带来可观的经济效益。本文主要介绍了建筑结构优化设计的主要原理，系统地论述了设计优化过程应遵循的原则，希望能给广大设计人员提供一些参考。

关键字：结构优化 经济 技术 方案

评价工程建设的优劣性主要是根据技术指标和经济指标。技术指标体现的是建筑功能的质量状况，经济指标体现的是工程造价的多少。项目决策阶段和项目设计阶段是控制工程造价的关键阶段，项目决策确定后，项目设计就是核心控制阶段。当建筑设计满足建筑功能要求时，工程造价的高低就成为了投资者关注的主要内容，也是投资者比选设计方案的指标。为了提高市场竞争力，每个设计单位都在致力于建筑结构设计的优化，为业主提供高性价比的设计方案。建筑结构的优化贯穿于整个设计阶段，从结构选型、结构布置到后续的每道工序，都需要准确计算和合理设计。本文主要介绍了建筑结构优化设计的主要原理，系统地论述了设计优化过程应遵循的原则，希望能给广大设计人员提供一些参考。

1.建筑结构优化设计理论

建筑结构是由各种建筑材料建造的建筑受力骨架体系，它决定建筑的安全性能，并影响其它建筑功能。结构设计原理是利用相关学科的知识，研究如何保证结构安全性的理论和设计方法。

传统的结构优化设计应用面较窄，仅仅局限于施工图阶段，优化的过程也是一个根据经验进行设计修改的过程。但是，结构优化设计并不是单独针对薄弱环节进行修改，而是面向整个设计过程，合理利用材料性能，并使各个构件之间协调连接。目前，传统的结构优化设计存在的不足已经被大家认同，建筑结构的优化设计已经不再局限于施工阶段，而是贯穿于整个建筑设计过程。

2.选择合理的结构方案

一个建筑设计可以有很多结构设计方案，不同的方案在工程造价和工程质量上存在差异。结构设计方案影响结构设计的成败，所以结构设计优化显得至关重要。选择合理的结构设计方案应该遵循以下原则：

(1)结构总体方案的构思要建立在整体的概念上，处理好局部与整体的关系，使结构受力状态达到最佳状态，提高结构整体性能。

(2)传力途径尽量简单化。复杂的传力途径计算分析复杂，容易出现错误，而且也会提高造价。简易的传力途径可以减少杆件数量，受力系统也更加简单，使整个结构安全性能提高，造价也相对经济。

(3)保持整体结构的协调一致性。把每个构件都放在总体架构环境中考虑，使每个构件和其他构件都合理连接，达到规范规定的设计标准，实现结构的最大效能。

(4)为了减小外力作用产生的扭转效应，尽量使平面上的抗侧力刚度中心与外力作用重心接近或重合，因为抗扭转所需的材料用量很大，会使结构设计既不安全又不经济。

(5)加强和建筑设计师的交流，提出结构设计的意见。很多业主强调建筑的造型和功能，忽略结构设计，使结构设计出于配角状态，屈从于建筑设计，不能选择有利的结构设计，只能被动地根据已有的建筑设计进行有限的优化。

结构工程师一定要掌握设计相关的知识，才能形成对结构优化设计的整体思路，把握优化设计的重点。

3.进行正确的结构计算

计算机技术的发展改变了人工进行结构计算的状态，工程师可以借助计算机进行快速可靠的分析计算，将不同的结构设计方案进行比较，并加以调整，使结构设计优化更迅速更精确。但是，利用计算机进行结构计算时，还要注意一些问题：

(1)不能盲目取用计算机的运行结果。计算机进行结构计算所运用的程序是人工编写的，在编写过程中很多概念性的东西可能与规范存在差异，所以在进行计算之前要搞明白程序的理论基础和应用条件。

(2)认真核对输入的数据。结构计算需要的数据很多，如果输入的数据出现错误不仅会导致某一构件的受力出现问题，也会影响整个结构的受力情况，其后果是无法估计的。

(3) 合理选取计算参数。不同的计算参数会得出不同的计算结果，要根据建筑要求和建筑环境合理选取。比如计算自振周期的折减系数的选取要根据结构形式和材料数量，若折减系数取值偏大会导致计算结果比实际结果偏小，造成结构分析偏于不安全，若反之则会导致结构不经济。

(4)考虑计算模型和实际结构的差异。计算模型都是实际结构的简化，只考虑普遍情况，不考虑实际结构中的特殊状况。而实际结构中的受力状况千差万别，如果单纯地依赖运算结果进行结构分析会导致较大的分析偏差，给建筑物留下设计隐患。所以在结构分析过程中要考虑计算模型和实际结构的差异，根据经验和相关的理论知识进行综合分析，判断结构设计是否合理。

4.提高材料的利用率

结构优化设计的目标就是提高建筑物的性价比，这就要求结构设计中要根据构件在结构中的受力情况和建筑材料的力学特性，合理选用材料。在钢筋混凝土结构中，混凝土的抗压性能好，钢筋的抗拉性能好。以受压为主的柱子可以采用高标号的混凝土，以受弯为主的梁板可以选用高强度的钢筋，同时要注意钢筋和混凝土强度匹配，这样可以减小构件的横截面积，减轻构件自重，不浪费材料的性能。实际中，很多工程项目因为材料选用不合理导致不必要浪费的案例很多，比如，钢筋混凝土现浇板经常选用高强度混凝土，为了控制高强度混凝土的收缩变形需要加大配筋量，这样不仅仅使高强度的混凝土未能充分发挥效能，而且还增大了钢筋用量，导致经济浪费。

5.灵活运用《规范》

《规范》是国家根据工程实践总结归纳的设计标准，是国家的技术经济政策。掌握相关知识和熟悉相关术语是理解规范的前提条件，作为结构工程师对待《规范》中的条文要同时具有主观意识和客观意识。对于《规范》中声明一定要执行的条文要执行到底，对于执行力度不是很强的条文设计人员要结合实际经验和理论知识，具体情况具体分析。规范中的数据要灵活对待，不能生搬硬套，缺乏实际分析，导致结构设计的创新性低，优化技术得不到提升。实际工程中遇到的问题并不是全部囊括在《规范》中，要结合实际选用数据。在实际工程设计中，设计人员只看重计算分析结果，而忽略结构构造措施的重要性。就拿抗震设计来说，我们对地震时建筑物的破坏机理和破坏现象了解还不清楚，建筑物的抗震计算也只是近似计算。建筑抗震是基于震害分析和总结，结合结构计算分析和结构构造措施实现的，在抗震设计时不仅要考虑《规范》中涉及的设计方法和注意事项，还要把结构构造措施当作设计重点。

6.保持精品意识

结构优化设计的终极目标就是打造精品设计方案，设计人员不仅要有完备的专业理论知识和丰富的设计经验，更要有打造精品设计的追求意识。以往设计单位为了提高设计业务，都是重业务经营轻技术质量，设计方案只要不出现安全问题就通过，方案的优劣性无关紧要，是设计人员忽略了技术水平，失去了设计优化的内在动力。为了保证设计的安全通过，设计人员盲目加大安全系数，结构材料能力过剩，造成经济浪费。现在设计单位越来越多，为了提高竞争力，设计单位必须实施精品战略，通过调整管理策略，把设计质量和个人经济效益挂钩，为设计人员提供内在动力，促进设计优化意识的深入。造价控制实施可以从结构设计开始，给设计人员提供借鉴数据，进行限额设计，改变设计人员无经济意识的设计状态，实现设计方案的高性价比。实施各级技术岗位责任制，层层把关设计环节，提高设计质量，将设计优化贯穿于整个设计阶段。

7.结束语

控制工程造价的一个有效途径是结构优化设计，优化设计的关键是合理处理经济和技术的对立统一关系。设计中，不能只追求经济效益忽略技术标准，也不能只重技术轻经济，导致技术能力过剩，资金投入浪费。工程投资中最主要的部分是工程造价，进行合理的结构优化设计可以带来可观的经济效益。建筑设计的首要目标是实现建筑功能，在其基础上实现安全和经济最佳结合是现代设计人员都应有的追求。结构设计优化要贯穿于整个设计过程，各个环节层层把关，设计出符合《规范》要求的方案，还要尽可能地实现建筑师的创作主旨。