浅谈结构设计优化在房屋结构设计中的应用

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摘要：本文首先强调了结构设计优化的意义、原则及要点，继而指出了房屋结构设计优化措施，最后分析了结构设计优化理论在房屋结构设计中的合理性评估。旨在促进建筑市场的进一步发展。

关键词：结构设计优化；房屋结构设计；应用

1. 结构设计优化概述

1.1意义

相较传统结构设计而言，结构设计优化能够大幅降低房屋建筑的工程造价，降低幅度甚至高达25%；结构设计优化能够充分发挥材料的性能，使房屋结构各组成单元实现有机协调；结构设计优化能够为建筑整体性方案设计提供科学的决策。总而言之，结构设计优化的有效应用，能使房屋结构设计更加适用，更加安全，更加经济，更加美观，更加便于施工。

1.2原则

结构设计优化的意义在于充分发挥材料性能，实现各构件以及各设计专业的最佳配合。它不仅具备了传统设计方案所要求的安全性，也充分体现了如今社会所提出的价值学及审美学特点。结构设计优化是一个不断提高结构设计水平的过程。结构设计优化过程中，不应该降低对结构安全度及抗震性能的要求，而是使房屋建筑物在整体上更为协调，不仅实现成本方面的降低，还要实现安全方面的提高。

1.3要点

1.3.1遵循结构设计规范

结构设计优化给设计人员提出了较高的要求，既要求他们经验丰富，又要求他们熟悉并遵循相关的结构设计规范。规范由于面向大众工程，因而，在某些规定上会较为保守。另外，对于某些复杂结构设计而言，有些规定并不安全。因此，在具体操作过程中，设计人员要予以判断、把握和优化，从而促进结构设计质量的进一步提高。

1.3.2加强各专业之间的协作

结构设计优化是一个复杂而系统的工作，需要多专业密切协作。在房屋建筑建设过程中，建筑设计和结构设计是两个最为关键的环节，二者有机结合，一方面能够提高外观效果，另一方面能够降低工程造价。在某些建筑设计中，设计人员为了突出方案的新奇效果，至建筑基本力学规律于不顾，给后续的结构设计造成了诸多困难。所以，只有加强各专业之间的协作，才能实现结构设计的合理化。

2.房屋结构进行优化设计的措施

对房屋结构进行优化设计，其目的在于合理降低工程造价的成本费用，同时为房屋的落成后的总体经济效益提供基础条件，结合实践设计经验，笔者提出了以下三点优化措施。

2.1 选择节能指标较高的结构类型

选择不同的房屋结构形式，也就相当于选择了不同工程造价的建设模式，最为常见的结构设计模式有如下三种：1）剪力墙结构，该种结构形式一般适用于高层建筑，是混凝土结构技术规程的进一步延伸。相较短肢剪力墙而言，该种结构形式拥有更高的抗震级别，另外，在构造钢筋使用数量方面也较少；2）框架结构。不仅具有大开间的特点，而且具有布局灵活的优势，还具有造价成本较低的优点，其缺点是抗震能力不强，由于柱截面较大，容易形成的柱角等凸出，给家具布置带来了诸多不便；3）框架一剪力墙结构。该种结构是指将一定数量的剪力墙有机地融入到框架结构中。该种结构合理大方，具有较强的适用能力，可以承受各种不同的变形压力，经实践证明是一种抗侧力较好的结构。

上述三种结构模式各具优缺点，所以，在选择结构模式的过程中，不可以片面地认为所谓科学合理的方案指的是造价最低的方案，除此之外，应根据房屋业主的具体需求，还有建设单位的投资水平以及施工能力等各方面条件对结构类型的选用展开综合分析，追求将投资与收益之间的最佳平衡，换而言之，以工程客观条件为依据，选择最为合适的结构模式。

2.2 结构设计信息优化技术

对房屋建筑结构进行设计的过程中，将会受到多种设计变量条件的影响，所以，采用单一的方法对结构优化进行优化，是很难做到的。考虑到房屋结构设计本身所具有的复杂性，需要研发一种既简单又实用的参数定义优化软件，从而减轻设计者进行结构优化时的工作压力，以实现精力及时间的节省。目前，房屋结构优化领域较为常用的系统是TBCAD系统。该种系统是针对结构方案设计、建模、 分析以及评估等步骤为一体的成本控制软件系统。该种系统能够对结构方案设计进行一定的指导，帮助方案在实现人力、物力以及财力等各项资源的最优配置。系统的信息通常被分成两个时间段进行优化，第一个时间段是通过对材料的分配调整，利用最少的混凝土用量以达到侧向刚度的最低要求，该时间段中，系统的目标函数是混凝土的使用量，而结构构件的断面大小则被视作设计的变量。 第二个时间段将会对构件的强度进行优化，通过对构件结构的断面大小以及钢用量的适当调整，只需要相对较少的结构造价便可实现构件的强度要求。

2.3 各种功能结构的优化设计内容

结构抗震的经济化设计，通常针对高层房屋建筑展开。在高层建筑结构总体造价中，水平荷载结构造价占了非常大的一个比例，所以，在抗震结构设计中，造价控制的关键之处在于抗侧力结构的设计。值得注意的是，当建筑物层高增加之后，抗侧力结构的造价也会随之增加。所以，应该针对抗侧力结构展开优化设计，从而确保造价方面的优势。上文已经对常见结构形式进行了一定阐述，虽然每种结构形式都具备一定的抗震性能，但所达到的经济效果却存在很大的差异。所以，设计人员对房屋结构进行设计时，应该深入了解并掌握各种结构模式的抗震性能以及经济指标，既要把握好房屋的体型，也要把握好房屋的结构体系，还要把握好房屋的刚度分布等，针对抗震的薄弱环节展开一系列的抗震构造改善措施，尽可能地降低抗震结构设计的实际成本。

3.结构设计优化理论在房屋结构设计中的合理性评估

房屋建筑工程的设计方案，从总体角度分析，包括各种各样、种类繁多的结构设计和布置。当房屋结构被确定之后，即便载荷相同，也仍旧有诸多不同类型的分析方案可供选择。另外，在具体的分析过程中，不管是设计载荷、材料，还是参数的取值都有可能发生一定的变化。房屋建筑工程在细部处理方面也存在很多差异。上述这些问题仅仅凭借计算机设计优化是难以有效解决的，需要人工辅助分析，对各项设计及相关数据取值进行合理性的评估，当然在评估过程中，应遵循结构优化设计的内在规律，更为稳妥的做法是结合工程设计施工经验有目的、有步骤地实施判断。由此可见，概念优化设计具有两层含义，一是设计师从若干备选方案中择取最优，二是对既定的方案进行修饰美化[7]。

4.结语

结构设计优化是一个复杂而系统的工程，需要相关人员通力合作，采用正确的结构设计优化方法，并应用到具体实践中去，从而最大限度体现结构优化的价值，提高结构安全度和抗震性的同时，有效降低工程造价。

参考文献：

[1] 隋国龙. 优化技术及在房屋结构设计中的应用[J].中国新技术新产品. 2011（03）.

[2] 卢建勇. 如何搞好房屋建筑结构的优化设计[J].中国房地产业. 2011（03）.

[3] 张文朝，孔露露. 房屋结构设计中结构设计优化技术的应用[J].中国城市经济. 2011（14）.

[4] 佟月强，郝明. 试论结构设计优化技术及在房屋结构设计中的应用[J].科技与企业. 2012（08）.

[5] 饶远文. 结构设计优化技术及其在房屋结构设计中的应用[J].价值工程. 2010（09）.

[6] 肖伟. 通过房屋结构优化设计提高房屋抗震性能[J].福建建筑. 2008（11）.