析建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用

时间：2024-07-28

（太和县建筑勘察设计院，安徽太和 236600）

李骠骑

（太和县建筑勘察设计院，安徽太和 236600）

建筑结构是一个建筑物的框架构成，设计是否合理、是否优化，直接决定着建筑物结构的安全性和可靠性，必须采用科学方法合理设计建筑结构，才能保证建筑结构安全可靠。本文以建筑结构设计优化方法为研究内容，对其的理论体现及其在在建筑结构设计中的应用步骤、应用要点进行了分析，仅供参考借鉴。

房屋结构；理论体现；优化方法；应用步骤；应用要点

近年来，建筑业发展形势利好，俨然成为国民经济的支柱性产业，对整个社会及人们生活发展产生了重大影响。随着建筑业的发展，激烈的市场竞争给企业带来了巨大压力，企业要想在激烈市场竞争中赢得先机，唯有建设安全、可靠、经济、实用、环保、节能的建筑物，这对建筑结构设计提出了更高要求。为适应新时期建筑结构设计的要求，提出采用建筑结构设计优化方法，利用先进的技术手段优化设计建筑结构。

一、建筑结构设计优化方法的理论体现

建筑结构设计不仅要考虑建筑结构的安全性、可靠性，基本功能的健全性、实用性，还要考虑建筑结构本身的艺术性、美观度，以及建筑结构的环保性、节能性，确保建筑结构设计合理，这就是建筑结构设计优化的具体体现[1]。从理论上分析建筑结构设计优化方法，可以发现这一设计优化方法主要体现在建筑结构整体设计、建筑结构分层设计等方面。

在建筑结构整体设计上，要尽量保持建筑平面结构的对称性和规则性，减少建筑刚度中心和质量中心的相关性差异；垂直方向的承重构件要上下相通，并尽量少使用转换层结构。而且，垂直方向刚度变化要讲究简洁性，避免结构突变，以保证建筑结构安全可靠。

二、建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用步骤

（一）建立建筑结构优化模型

1、优化选择设计变量

选择设计变量时，要以建筑结构本身的参数作为变量。如，根据建筑结构造价值、结构损失的期望值确定建筑目标参数，根据建筑结构相对可靠度确定建筑约束控制参数。对于哪些对建筑结构安全影响小、变化范围小的设计参数，可利用预定式参数表述，便于减少设计数量和编程量，提高设计工作效率。

2、确定目标函数

优化设计时，对找到一组符合预定条件的相应尺寸的钢筋截面和失效的概率函数，最大程度的降低建筑造价。

3、确定约束条件

为保证建筑结构可靠，合理确定与结构设计相关的约束条件，如建筑本身的强度、几何尺寸大小、结构体系、构件、建筑裂缝宽度等。进行建筑结构优化设计时，要根据设计目标全面分析以上约束条件，确保每一个约束条件都能符合建筑结构设计目标。

（二）合理确定建筑结构设计优化方案

建筑结构设计优化有很多的约束条件，经常遇到一些非线性的优化问题，无形中增加了设计及计算工作的复杂性[2]。特别是计算非线性问题时会进行必要的转换，将有约束的优化转化为无约束的优化，方能合理确定结构设计优化方案。具体计算中，可以采用拉式乘子法等方法。

（三）设计应用程序

基于建筑结构设计优化模型及计算方法建构一个运算快的应用程序，作为设计优化实施的基本依据和规范，使建筑结构设计优化工作顺利、有效的进行，确保建筑结构优化设计工作质量。

（四）分析综合结果

得出计算结果过后，对多方计算结果进行对比分析，从中优选出一个最佳的建筑结构设计方案。进行分析对比时，对建筑结构几何尺寸、基本功能、外形美感度、结构安全性及实用性、经济性等问题进行多角度的考虑，既要保证建筑结构安全，也要确保设计优化方案经济实用，尽量用最少的成本投入达到高质量的建筑物，实现建筑结构设计优化的预期目标。

三、建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用要点

在房屋结构设计中，结构设计优化方法应用覆盖多个方面，具体包括整体与局部、使用寿命、桩基础、上部结构及房屋建构与电气、给排水结构协调等，下面对结构设计优化方法在房屋结构设计中的具体应用进行了分析。

（一）整体及局部

房屋建筑结构设计具有复杂性、层次性特点。房屋建筑结构设计的复杂性主要体现在结构类型选用、建材选用、零部件选取等方面，设计工作系统而复杂；房屋建筑结构设计的层次性主要体现在房屋建筑设计体系、建筑结构体系、各专业设计体系、安装设计体系等方面，其中的每一体系都是独立的，且还有下属体系。由于房屋建筑结构设计的复杂性和层次性，设计人员可以采用房屋建筑设计优化设计方法，充分的优化设计每一个体系，打破横向关联，实现工程叠加，实现对建筑结构整体的优化，提高建筑设计的合理性。

（二）使用寿命

在房屋建筑使用年限内，房屋建筑结构中的任何一个环节都有着多方设计方案，这就决定了任一个工程分部分项都可以设计优化。为此，进行房屋建筑结构优化设计时，设计人员可以根据分部分项的具体情况进行优化设计，进而延长房屋建筑使用寿命。

（三）桩基础

房屋建筑桩基础形式主要有灌注桩、预制桩等[3]。其中，灌注桩操作复杂、施工时间长，且质量控制精度要求高。预制桩操作简单，且质量可控，若没有特殊的工程地质条件限制，可以采用预制桩。但是具体设计时，要以现场地质勘察结果为依据合理的优化设计桩基础形式，确保桩基础质量符合标准要求。

（四）上部结构

在房屋建筑上部结构设计中，剪力墙布置是非常关键的一环。剪力墙质量要有一定的均匀性，使楼层结构中心与结构平面中心相互重叠，增强建筑结构整体的承载力和抗震性，消弱外力的不利影响。若房屋建筑结构类型允许，剪力墙应当采用大开间构造，尽量增加墙肢长度，不仅能提高房屋结构安全性，还能减少混凝土、钢材等材料用量。

（五）房屋结构与电气、给排水等专业设计间的协调优化

1、房屋结构与电气的协调优化

电气工程是房屋建筑组成的一部分，进行房屋结构设计时，不得不考虑房屋结构与电气专业设计之间的协调性。电气管线如果安装在楼板处，势必影响房屋建筑预制结构施工正常展开，所以电气管线一般要贯穿房屋结构梁体，以便保护电气管线安全。这样一来，设计房屋建筑结构时就要预先考虑建筑梁体孔洞预埋问题，合理确定电气管线预埋孔洞位置及孔径大小。与此同时，还要考虑梁体宽度，应与墙体厚度一致，否则难以确保梁侧平面与墙体一侧对齐，电气管线将裸露在梁体外面。由于建筑梁体内埋设了很多孔洞，要对电梯房结构进行科学计算与合理设计，保证电梯房强度达标。

2、房屋结构与给排水的协调优化

房屋建筑内部用于给排水的设备很多，一般情况下，可以将水泵房设置在地下室。但是由于给排水管道系统复杂，长短、粗细各不相同，进行房屋建筑结构设计优化时，必要合理分析确定给排水管道的预埋孔洞。水平方向的给排水管道贯穿承重墙时，要对承重墙体加以维护、加固。具体工作中，可以采用建筑信息模型对房屋给排水系统进行碰撞检查，优化建筑给排水系统设计方案。