什么是建筑结构优化设计？

 导读：结构优化设计是指在给定约束条件下，按某种目标，如重量最轻、成本最低、刚度最大等，求出最好的设计方案，曾称为结构最佳设计或结构最优设计，相对于“结构分析”而言，又称“结构综合”；如以结构的重量最小为目标，则称为最小重量设计。当前，很多建筑项目由于投资大，建设周期长，所以有效进行结构优化设计，能够相应的减少投资金额，建筑结构优化设计，是实现建筑本体功能与建筑投资成本的关键性手段。

现阶段，随着市场经济的不断完善，建筑物的经济性能越来越受到重视。所以，用最少的材料或者最少的造价来建造出满足规范和使用要求的建筑物，是我们不懈的追求。但同时，我们要如何来保障建筑物的安全性能呢？所以，结构的优化设计作用就体现出来了！结构优化设计并不是简简单单的减少混凝土和钢筋的用量，而是要通过调整各构件刚度之间的比例关系，充分利用各构件的受力特点，发挥它们各自的长处，使整体结构达到最优。 

一、建筑结构优化设计基本原则有哪些？

1、功能性原则 

建筑工程作为人类基础物质生存环境，建筑结构优化的终极目标就是为了满足人类对物质生存环境的最大化需求，其结构设计效果将会在很大程度上决定工程建设综合效率。对建筑结构进行优化设计，除了要满足基础功能外，还需要从美观性、协调性、舒适性等角度进行完善，从更大的方面来满足用户对工程综合性要求。

2、安全性原则 

建筑作为人类生存的基础生存环境，与人们存在密切的联系。因此，一直以来人们对其建设要求都比较高。在社会经济快速发展背景下，必须要对传统建筑结构设计理念与方式进行优化。其中应注意，建筑工程结构设计除了要满足基本使用需求外，还需要满足安全使用要求，即为正常生产生活提供安全的居住环境，提高工程结构建设的综合要求。一味追求建筑结构的优化设计，忽略决策阶段、设计阶段、建设阶段的安全性，其作为建筑不但没有任何实际意义，反而会给人类正常生产和生活带来致命的危害。

3、环保性原则 

建筑工程建设所需资源众多，而在持续发展理下，在进行结构设计时除了要保证功能要求外，还应做好对资源利用的优化。即选择环保施工材料，并提高结构整体布局的环保性，将持续发展贯彻到底。对于建筑资源材料的选择上，要保证其能够满足结构安全性、功能性与环保性综合要求，并且在实现主体内部结构环保基础上，做好各项废旧材料的处理与应用，提高工程结构综合设计效果，降低对环境的影响[3]。 

4、经济性原则 

经济性是指通过建筑结构的优化设计，最大化的节约各种材料资源，达到减少建设成本的目标。对建筑结构进行优化设计时，还应从设计成本上进行分析，控制好结构设计造价，在满足市场经济条件基础上提高对各项资源的合理配置。需要将经济性原则与环保性原则进行综合分析，选择能耗低类材料，并最大程度上减少各项材料的利用，降低材料投入成本。另外，通过对结构内部的合理设计，提高对空间的利用效率，在有限的成本范围内，获得更有效的设计方案。 

5、提高建筑舒适度原则 

一个好的建筑物，应该是从建筑、结构、装饰装修到给排水、暖通、空调、燃气、电气安装等各专业的优化设计组合，是整体优化设计，如果仅仅是某个专业设计得好，是不可能被称作是一个好建筑的，结构设计也不能例外的；建筑结构设计要能最大程度地满足建筑平面布置、内部空间高度和建筑立面等使用功能和外形观感的要求，投入使用后，使用户在工作和生活中感到很舒适，使建筑真正成为人人赞美的好建筑，这才是建筑结构优化设计的出发点和落脚点。因此，建筑结构的优化设计应包含结构体系的优选、传力途径的科学性、构件布置的合理性、构件和材料选用的正确性等内容；应该把尽可能提高建筑投入使用后的舒适度作为建筑结构优化设计的一条重要基本原则。 

6、不同构件采用不同安全系数原则

现浇钢筋混凝土楼板的约束作用，可以在很大程度上提高楼盖梁的承载能力，最高时可提高约1.5倍。而现行国内结构计算软件却不能准确反映现浇楼板的这种约束作用。因此，按力学计算结果进行结构设计的话，对现浇楼盖梁而言，它的安全系数就偏高了许多。

另一方面，从对出现垮塌事故的工程进行事故原因调查和分析可以得知，由于楼盖或楼盖梁的问题而导致结构破坏的工程实例极少，除非是结构计算本身有误；从许多震害调查的工程实例中也可得知，在地震力作用下建筑倒塌的主要原因，也大多是由于墙、柱等竖向构件首先遭到破坏所致。

在实际的结构设计工作中，若不考虑构件的实际承载能力，对所有构件采取相同的安全系数，就会造成建筑结构在安全性和经济性方面的不合理。因此，在结构设计时，对独立构件、静定结构和竖向构件应采用较大的安全系数，而对楼板和楼盖梁的安全系数可予以适当降低，这样处理既可以降低工程造价，又可提高结构的综合安全度。 

二、建筑结构优化设计有哪些作用？

1、降低总造价 

进行结构优化设计中，多层住宅和高层住宅相比较，层数越多，总建筑面积增大，单位建筑面积占用的土地面积就越小，节约了用地成本，但建筑层数的增多，建筑总高度也会加大，楼与楼之间的间距 也要加大，这时占用的土地节约量就不与建筑层数增加比例相同了。对于基础部分而言，虽然也是各层共用的，但是层数增加，传给基础的荷载将会增大，我们需要增大基础，这样单位面积的造价有所降低，但是却没有屋盖的效果那样明显。 　

2、提高建筑结构经济性 

高层建筑的建设成本成了不得不考虑的重要因素，对应的结构成本更是严格控制。一个设计人员在保证建筑质量的基础上，采用合理的计算模型、计算参数、设计荷载、构造措施及合理的计算指标是达到经济合理含钢量的重要途径，应认真结合规范和具体工程情况进行选择，并依据规范和结构概念合理使用计算结果进行设计，必要时采用手算复核。现笔者以某高层建筑物工程两种状态下结构计算结果加以比较说明。

三、建筑结构优化设计应注意哪些问题？

结构设计优化设计应用于新项目的前期设计、施工图设计和旧房改造等设计的各个部分，多种效益都是非常可观的。在模型进行实践以及按照结构设计优化方法过程中，要注意以下几个方面：

（1）前期的设计参与。建筑总投资受前期方案的直接影响，所以现在存在的问题大都是前期方案阶段结构设计并不参与进行，建筑师进行设计方案时大多也不考虑结构的可行性及合理性，而建筑设计的最终结果却直接对结构设计造成影响，某些方案可能会增加结构设计的难度，并使得建筑总投资提高。如果在方案初期，结构优化设计就能参与进来，那么我们就能针对不同的建筑类别，选择合理的结构形式，合理的设计方案，获得一个良好的开端。 

（2）地基基础结构设计。地基基础的结构设计优化首先就是选择最恰当的方案，如果为桩基础，一定得依据施工现场的具体情况选择桩基类型，节省成本，减少不必要的浪费。对灌注桩的选择影响较多的就是桩端持力层，应多进行比较以确定最合适的方案。 

（3）细部结构设计优化。概念设计应用于没有具体数值量化的情况，设计过程中需要设计人员灵活运用结构设计优化方法，达到最佳的效果。与宏观把握相对应，设计过程同时要注意对于细部结构设计优化，比如现浇板中的异形板拐角处易出现裂缝，应加设放射筋或划分为矩形板。在做立面设计的时候，外立面上的悬挑板及配筋，满足规范的构造要求即可，达到既安全又经济的目的。 

四、建筑结构优化设计方法有哪些？

1、并行算法 

高层建筑结构的主要因素是结构的抵抗水平力的性能。因此，抗侧移性能的强弱成为高层建筑结构设计的关键因素，且是衡量建筑结构安全性、稳定性能的标准。 

在建筑结构中，单位建筑结构面积的结构材料中，用于承担重力荷载的结构材料用量与房屋的层数近似成正比例线性关系。此外，用于建筑结构楼顶的结构材料用量几乎是定值，不随结构的层数变化；但是用于墙、柱等结构构件的材料用量随楼房的层数成线性正比例增加；而对于抵抗侧向移动的结构材料用量，与楼房结构层数的二次方的关系增长。 

2、可靠度优化法 

在非地震灾害区高层建筑结构的方案选型时，应优先选用抗风性能比较好的结构体系，也就是选用风压体型系数较小的建筑结构体系。比如结构外形呈曲线流线型变化的建筑结构圆形、椭圆形等，或是结构从下往上逐渐减小的截锥形体系的风压体形系数较小，有利于很好地抗风。此外，在对结构进行平面布置时，适合选取结构平面形状和结构刚度分布均匀对称的结构体系类型，这样可以在很大程度上减小风荷载作用下的扭转效应引起的结构变形和内力的影响。 

3、高层体系优化法 

建筑使用性能的不同，所以其对内部空间的要求不同。同时，高层建筑结构使用功能不同，则其平面布置也发生改变。通常，住宅和旅馆的客房等宜采用小空间平面布置方案；办公楼则适合采用大小空间均有；商场、饭店、展览厅以及工厂厂房等则适宜采用大空间的的平面布置；宴会厅、舞厅则要求结构内部没有柱子的大空间。由于不同的结构体系可以提供的内部空间的大小不同，因此，在建筑结构设计阶段，应该首先根据建筑结构的使用功能，选用合适的结构类型。 

五、建筑结构优化设计措施有哪些？

1、加强剪力墙的设计 

剪力墙墙肢的试验研究也表明，轴压比超过一定值，很难成为延性剪力墙。影响压弯构件的延性或屈服后变形能力的因素有：截面尺寸、混凝土强度等级、纵向配筋、轴压比、箍筋量等，其主要因素是轴压比和配箍特征值。联肢墙是通过连梁连接的各墙肢联结而成，从而增加了墙肢的约束条件。连梁的刚度增大必将使得结构的地震作用也增大，这样连梁和墙肢分配内力也相应增大，此时必须增大构件的配筋量，显然这一设计结果必然会造成材料的浪费。 　

2、注重细部优化 

（1）在注重整体设计的同时，也应加强结构局部构件的精细设计。比如现浇板设计中尽量把异形板划分为矩形板，这样既达到合理受力的目的，也避免了拐角裂缝的出现。 

（2）底部框架抗震墙的底框梁箍筋配箍量一般较大，此时若选用冷轧带肋钢筋作为箍筋，便可减少箍筋肢数或箍筋直径，达到造价的降低以及施工的方便化。还有，为减少底部截面，采用高强度的混凝土是柱构件不错的选择，但是水平构件混凝土可适当减少混凝土的标号，满足了受力要求，也节约了成本 

（3）随着计算机技术以及结构优化设计理论的结合，通过利用计算机分析软件建立优化设计的分析模型，采用高效的计算机优化计算方法，设立结构设计达到的目标要求，最终实现结构设计的优化目的。在具体的优化设计过程中，优化设计实际上已经由一个工程问题转变为一个数学问题。 

3、结构设计优化方法的应用 

结构设计优化方法和技术的应用具体体现在房屋工程结构总体的优化设计和房屋工程分部结构的优化设计两方面。其中房屋工程分部结构的优化设计包括：基础结构方案的优化设计、屋盖系统方案的优化设计、围护结构方案的优化设计和结构细部设计的优化设计。对以上几个方面的优化设计还包含选型、布置、受力分析、造价分析等内容，并应在满足设计规范和使用要求的前提下，结合具体工程的实际情况，围绕其综合经济效益的目标进行结构优化设计。 

4、结构设计优化方法的实践价值 

在满足建筑结构长远效益的前提下，应尽量减少建筑结构的近期投资并提高建筑结构的可靠度和合理性。与传统设计相比，采用设计优化技术可以使建筑工程造价降低5%-30%。优化技术的实现，可以最合理的利用材料的性能，使建筑结构内部各单元得到最好的协调，并具有建筑规范所规定的安全度。同时，它还可为建筑整体性方案设计进行合理的决策，优化技术是实现建筑设计的“适用、安全和经济”目标的有效途径。 

对于建筑来说，架构的优化设计是必然趋势，是实现建筑本体功能与控制建筑造价成本的重要手段。另外，无论是建筑投资者，又或者是开发商都不能过分强调结构优化设计的经济性，不能仅仅是通过减少材料、降低技术、放低质量标准来追求经济性，你们认为呢？