关于建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用探究

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摘要:建筑作为固体艺术，是美观与结构以及设计共同作用的结果。对于居住性房屋的结构，在设计上要求适用经济、美观安全，在施工中，便于作业等，尽可能地提高空间的利用度，把有限的资源最大化地发掘出来，完成经济适用的目标。而设计上优化方法的应用，不但可以让造型的美感突出，又能在结构上注重安全，使得竣工后的建筑经济、合理，真正做到经济适用。

关键词：建筑结构设计、优化方法、房屋结构设计、应用

中图分类号：TU2文献标识码： A 文章编号：

1 结构设计优化方法的理论体现

在从事项目设计过程中，不仅要考虑其美观实用，还要讲究安全可靠。也就是在突出其适用的同时，还要紧紧抓住美观这个环节，这就是结构的优化。这种优化的方法，站在建筑理论的角度，这种设计优化，分为项目分部结构和项目总体结构的优化等两个方面。而项目总体优化包括了系统方案的设计、围护结构方案以及结构的细部设计等。其中，也包括了选型、整体的结构布置、受力和造价分析等。因此，在项目施工过程中，要本着一切从实际出发为原则，结合现场实际情况，以效益为第一原则进行设计优化。

作为项目建筑师，必须在保证安全的前提下，进行设计优化。并且，对于一些新的模式以及结构，要敢于尝试。在设计时，建筑师，既要满足自己的设计意图，平面部分要对称、规则外，还要尽可能地缩小中心度的差异;纵向部分，要满足其使用功能，承重的部件要上下均匀贯通，尽可能减少设计上以及结构上的困难，纵向的刚度要循序渐进，避免应力过于集中。

2 建筑结构设计优化方法的应用及实践价值

2.1 结构设计优化方法的应用

结构设计优化，分为项目分部结构和项目总体结构的优化等两个方面。其中，分部结构优化包括了基础方案的优化、房盖系统的优化、围护部分的优化以及细部设计的优化等。以上部分也包含了造型、受力以及造价的分析等。并且在规范设计以及满足其使用功能的基础上，结合现场施工情况，争取最大化的经济效益。

2.2 结构设计优化方法的实践价值

本文经过研究与实地考察得出，作为建筑不仅要满足其长远的经济需求，在建筑投资上，也要尽可能减少支出，并且在建筑的结构以及安全性和合理性上，做出长远的规划。按实际来说，采用结构设计优化的的项目，不仅可以大大降低工程的造价，一般比原有预计可降低15%到30%。[1]可以依据合理的材料及性能，让建筑在各个结构层面与空间内，达到统一协调和安全的目的。同时，依据优化方案，还可以对整体建筑进行决策等。因此，工程结构的优化技术，是我们实现既经济又安全，既美观又实用的唯一途径。

3 房屋建筑结构设计与经济性的关系

在用地方面，很讲究用地面积。一般来说，用多少地皮和房屋的设计结构有着很大的关系，特别是对于高层建筑而言，其总的建筑面积可以被算作是各层的面积之和。由于层数的增多，其间距也必须加大，必须按照一定的比例，进行递增。

③由于层数的关系，对建筑面积的影响也很大，但影响的程度也根据结构的不同而不同。随着房屋层数结构的增加，对于接触的载荷量要求增大，出于安全的考虑，在其承重的结构方面，墙的厚度，柱和梁的粗细等，随着层数的增加，在承载等级以及抗震方面，都会相应提高。这就会令房屋的造价提升。

③由于层数增高，在各个方面的投资都要相应增加，在其结构的设计以及经济性上，不仅要注重安全，也要设计合理。比如，层高需要增加的基础抗震能力以及承载能力，相应水卫以及电气管线的增加等。房屋层面的高度，决定了材料、能源等的费用，这些都会造价产生影响。[2]

4 结构设计优化方法

任何一项工程要做到美观实用，是设计以及建筑的完美结合。首先在设计上要求安全适用，在施工过程中，要经济美观，同时，在建筑过程中，便于施工。而这种结构优化设计，不仅从技术层面解决了建筑中遇到的难题，也提高了结构设计的方法。使房屋达到了真正意义上的经济适用。在建筑结构设计的优化上，主要体现分部的设计优化和工程结构中整体的优化。

4.1 结构优化设计模型

有关于结构设计上的优化方法，主要从在各种影响因素中，找出主要的变量参数，并以此建立函数模型，结合科学的方法，得出最优的答案。其模型的建立主要遵循以下步骤：一是对主要变量的选择。在通常环境下，对变量的选择，都是基于影响较大的因素。对工程中涉及到的所有参数，按照其重要性划分出各个等级，先进性预定参数的制定，那些影响力小的都划到预定参数中，以便减少编程中的工作量。二是确定其目标函数。运用函数计算，找出符合条件的答案。按照条件来确定最优方案。对于房屋结构设计优化中，在约束条件的选择上，包含了很多的内容，比如要考虑应力的影响、裂缝宽度、尺寸和一级强度等，在正常条件下，极限状态到最后的终极状态，其弹性的约束力以及约束条件等，都要符合工程项目的设计以及施工的整体要求。

4.2 结构优化计算方案

由于在房屋设计以及结构优化中，涉及的变量较多，约束的条件也很多，因此，对于这个非线性问题，要求我们在做这个方案过程中，要能以繁化简，把有约束条件化为无约束条件，在此基础上进行各种的计算。在这方面，常用到符合型法、以及Powell法等。[3]我们只要在完成计算方案的基础上，进行编程就会得到最终的优化答案。

5 结构设计优化技术的实践应用

房屋结构设计的优化，由于其涉及面广，目前来说，应用比较广泛。利用这种优化的方式，在不改变房屋各种性能的条件下，起到了降低成本的作用。这种房屋结构设计优化方法，在项目整体设计中，都可以得到广泛的应用。也可以作为前提的设计，也可以用于旧房屋的改造等各种项目的各种环节。但是，在实际的应用中，也有几点需要注意：

5.1 结构设计优化应注意前期参与

由于项目的设计方案，都会影响总的投资金额。在前提方案中，这种影响尤甚。但是，由于前期方案在设计的过程中，对其结构的可行性以及合理性，考虑的并不全面。但其设计的结果，却可以直接影响到下一步对结构的设计，这在很大程度上，增加了结构设计的难度。因而增加了项目的总体投资。假设在方案拟定的初期，就加进来结构的优化设计，作为结构设计者，就可以根据建筑的不同类别，来拟定合理科学的结构，出具完备的设计方案，从而形成一个良好的开始。

5.2 概念设计结合细部结构设计优化

在结构设计优化中，对于一些概念性的设计，由于缺乏具体的量化指标，就如抗震以及防裂度等，由于其参数的不确定，在进行计算的过程中，就会出现与现实不符的情况。因此，面对这样的问题，就需要采取概念设计，用以往的数据作参考，把人的灵活性以及智能充分发挥出来，达到最优化的结果。

作为设计者，在对宏观进行把握的同时，也不要忽略细部的设计。比如异形板的裂缝现象。在钢筋的选择上，也要充分考虑到它们的极限抗拉力等因素，在满足其塑性的基础上，选择适合建筑施工用的钢材。比如，因考虑到现浇板的受力，作为设计者在冷轧带肋钢和一级钢进行选择的过程中，就要选择冷轧带肋钢。在房屋内里的设计，也要满足其最基本的要求，这样，才能既经济又安全。[4]

5.3 下部地基基础结构设计优化

在地基基础的设计上，首先要对方案进行选择。如果是桩地基，就需要根据施工现场的地理环境来选择类型，以便节省造价。在桩端的持力层，由于影响着灌注的桩长，因此，需要因地制宜选择适合的方案。

6 结构设计优化的现实意义

(1)优化设计，对于高层建筑以及多层建筑，多层相对于高层来说，在造价上以及占地面积上都有所降低。比如，屋盖部分，一栋楼仅需要一个，和层数没有关系。对于基础，虽说是公用的，会因为层数的增加会因为承受力的加重而增加投资，但是，相对于整体造价，远没有房屋整体效果那么明显。

(2)降低层数，不但可以节省物料，其抗震性能也会大大增强。此外，在对房屋平面形状进行设计时，选择圆形或者接近于方形的设计，其的周长也会相应减少，在其基础以及表面装修上，都会相应减少。而同时，其受力性及其经济性上，也会明显增加。

7 结束语

建筑物不但是实用而且还要坚固美观，这就需要建筑师发挥其长处，进行优化设计，让实用性与艺术性达到完美的结合。既要保证其质量，又要节省成本，这就需要完成设计结构的优化。在其设计上，既要美观又要兼顾，在其对称性上，也要避免发生扭转。纵向的设计要保持贯通，在其结构及其设计上，避免重复以及僵化，做到艺术性与实用性的完美统一。

参考文献：

[1]裘继飞.浅谈建筑结构设计[J].中小企业管理与科技(上旬刊).2010年05期.

[2]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年09期.

[3]赖运强.当前建筑结构设计中概念设计的应用[J].中国高新技术企业.2010年13期.

[4]《建筑结构学报》2010年征订启事[J].建筑结构学报.2010年01期.