什么是建筑结构优化设计

1、什么是建筑结构优化设计现阶段，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

2、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。第 1 页 共 9 页因此，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

3、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

4、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 第 2 页 共 9 页计，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，

5、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

6、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 第 3 页 共 9 页少，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

7、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

8、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第 4 页 共 9 页标是达到经济合 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

9、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

10、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 第 5 页 共 9 页构设计优化，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

11、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

12、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 第 6 页 共 9 页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

13、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

14、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 第 7 页 共 9 页理受力的目的， 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

15、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