结构设计的优化例1

随着我国改革开发的进一步发展，全国人民的生活都步入了小康时代。越来越多的人对物质生活要求也越来越高了，许多人都住进了高楼大厦。人口的继续增长，使得建筑物越来越多，而土地资源有限，这样导致土地价格越来越高，从而导致了建筑商的建筑成本也越来越高。降低建筑成本是建筑商首先考虑的方法，那么如何控制建筑成本呢？结构优化设计思想是目前国内外比较有价值的一套理论系统。运用该理论方法，实现人民对于居住环境和生活环境的改善，提高建筑产品的质量与品味，满足小康社会人们对新生活的需求，同时降低工程建筑的造价成本，实现建筑商利润最大化的目标，这具有适用、经济、实用的价值。

1优化的结构设计方法

社会上的建筑物都很令人赏心悦目给人以美的享受，这是结构设计与建筑实施技术相互协调、密切配合，从而达到美观效果的结果

建筑结构设计我们都追求安全、适用、经济、美观、施工简单等五种目标。文中的结构设计优化，能实现建筑设计技术优化的目的，能应用于实践，它不但满足了人们对建筑美观、造型优美的要求，又能使房屋的结构设计合理、性能安全、建筑成本经济，成为名副其实的“经济适用”建筑。结构设计优化方法从建筑上来分析，它主要体现在优化设计的建筑工程结构和建筑工程结构的总体优化设计两个方面。

第一个方面：建筑模型的优化结构设计方法。

一项大的建筑工程，先设计建筑模型，那么建筑模型的优化是十分必要的。建筑工程的结构优化设计主要包括：基础结构方案的优化

设计、围护结构方案的优化设计、屋盖系统方案的优化设计和结构细部设计的优化设计。除此之外，还需要做选型、布置、受力分析、造价分析等内容的优化设计。所有这些设计，都按照一切从实际出发的原则来进行，根据工程的具体实际情况，围绕房屋建筑的综合经济效益的目标进行结构优化设计。在进行结构设计时，首先要满足设计意图后，尽量使平面布置规则，缩小刚度和质量中心的差异，这样可以避免水平荷载与建筑物中太大的扭转作用力。在竖直方向上应避开使用转换层，减少应力集中现象。

房屋结构可靠度优化设计的约束条件，包括了应力约束、裂缝宽度约束、结构强度约束、尺寸约束、从正常时的极限状态下弹性约束到终极状态的弹塑性约束、从可靠指标约束到确定性约束条件等。在设计中，我们要保证各约束条件必须符合现行规范的要求。

第二个方面：建筑模型的优化结构设计的 计算方案。

完成计算方案的设定后只需编制相应适用的运算程序即可得到我们的最终优化结果。然而，结构设计的优化涉及到多个变量、多个约束条件，这是属于一个非线性的优化问题，在设定计算方案时，需要将有约束条件转变为无约束条件来进行计算。建筑工程设计中常用

的方法有Powell算法、拉氏乘子法和符合型等方法。利用这些方法来计算建筑模型的优化结构设计方案。

2优化的结构设计技术在实践中的应用

在设计好了优化的结构设计方案后，就可以将该理论方法应用于实践之中。结构设计的优化，是目前一个比较普遍的课题，要达到利

用结构优化的方法在不改变适用性能的前提下达到降低工程造价的目的，将结构设计优化方法应用于实践之中，这是我们建筑工程设计

人员所追求的目标。结构设计优化设计应用于项目的整体设计、前期设计，旧房改造，抗震设计等设计的各分部环节，发挥着巨大的效益。

在按照结构设计优化的方法及模型进行实践的过程中，要注意下面的三个方面的问题：参与结构设计优化的前期工作，将概念设计和细部结构设计进行优化，优化下部的地基基础结构设计。下面就这三个方面进行详细描述。

2.1参与结构设计优化的前期工作

因为前期方案的确定直接影响建筑的总投资，而现在存在的普遍问题就是前期方案阶段结构设计并不进行参与，建筑师进行建筑设计时大多并不考虑结构的合理性以及它的可行性，但是建筑设计的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，并使得建筑的总投资提高。如果在方案的初期，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。

2.2将概念设计和细部结构设计进行优化

概念设计应用于没有具体数值量化的情况，例如地震设防烈度，因为它的不确定性，计算式难免与现实有较大的差异，在进行设计的时候就要采用概念设计的方法，把数值作为辅助和参考的依据。设计过程中需要设计人员灵活的运用结构设计优化的方法，达到最佳的效

果。

2.3优化下部的地基基础结构设计

地基基础的结构设计优化首先要选择合适的方案，如果为桩基础，那么要根据现场地质条件选择桩基类型，尽量节省造价。桩端持力层对灌注桩桩长的选择影响很大，应多进行比较以确定最合适的方案。

3优化的结构设计实际价值

结构设计优化在建筑设计中具有很重要的地位，首先使用结构优化的设计能降低建筑，其次进行优化结构的设计能提高建筑结构的经济性。这些都具有实际价值。

3.1 通过结构优化设计来降低总造价

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。另如屋盖部分，一栋楼只有一个屋盖，并不会因为层数的增加而有所改变，它的成本下降会比较明显。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。

3.2 通过进行结构设计优化来提高建筑结构的经济性

建筑的层高增加，由于墙体面积和柱体积增加，结构的自重会增加，基础和柱的承载力相应增加，水卫和电气的管线会加长；相反降低层高，可节省材料，有利用抗震，同时建筑的总高度减小，两建筑之间的日照距离就会减小，间接的节约了用地。建筑面积相同，建筑使用不同的平面形状时，它的外墙周长也就会不同，这样当选择圆形或是越接近于方形时，外墙周长系数就越小，基础、外墙砌体、内外表面装修都随之减少，同时其受力性能也得到提高，增强了建筑的经济性能。

4 结论

利用结构设计优化的技术方法，能提高有限的空间、有限的资源，让其最大化的效果发挥，实现了经济化、实用性和适用性的良好目标。满足了建筑产品的品质要求不断提高的目的，实现了人们对于居住条件及生活环境的要求不断提高的需求，同时，这也实现了建筑商不断寻求新的手段来满足顾客的需求，达到降低建筑工程造价成本的目标。

5 参考文献

[1]谈建筑结构的优化设计[J].建筑科学，2009

结构设计的优化例2

前言

近年来，建筑结构设计的水平得到不断的提升，在建筑的结构设计上不仅需要满足销售及居住的质量要求，同时还要求具有较好的经济适用性。剪力墙结构由于侧移较小，抗侧刚度较大，而且具有较强的抗震性能，所以在现代建筑中得到广泛的应用。但在当前建筑剪力墙结构的应用和设计过程中，还存在着一些问题，所以还需要加强对其设计方法进行优化，从而确保建筑的安全性、经济性和实用性。

一、剪力墙结构的基本定义

剪力墙作为建筑结构中的重要组成部分，其可以承担较强的风荷载及地震作用，所以通常也将剪力墙称为抗风墙或抗震墙。目前高层建筑较多，但在高层建筑结构设计时，则不宜将所有墙体都采用剪力墙结构进行设计，对于需要应用较多剪力墙时，则需要布置一定的筒体，这样利用剪力墙和筒体可以对水平力来进行抵抗。

二、剪力墙结构设计的基本样式

（一）壁式框架。这种样式的剪力墙更多的在联肢墙中进行应用，由于其洞口较大，所以墙肢的刚度往往较弱，而连梁的风度则较强，这种情况下的剪力墙在受力上表现的与框架结构更过于接近。但其与框架结构的梁柱还具有较大的不同，厚度上较小。通常上框剪结构中，壁式框架剪力墙可以进行单独设置，同时也可以利用其他一些墙体来进行设置，所以在目前的房屋建筑中壁式框架剪力墙应用的更为广泛。

（二）整体剪力墙。整体剪力墙由于没有洞口或是只有少量的洞口，其作为建筑的主体结构存在，所以在设计时往往可以忽视洞口的存在，在现代建筑结构中作为极其重要部分，对建筑起着支撑的作用。

（三）联肢墙。联肢墙上往往是有一列或是多列洞口存在，而且洞口的尺寸也较大，各连梁承担着主要的受力，其可以说是由于多组连梁连接起来的特殊剪力墙，而且各墙肢具有比连梁更强的刚度，所以每一个墙肢的作用都不可忽视。

三、剪力墙结构方案的选择

在建筑结构设计时，剪力墙的设计方案具有多样化的特点，但在确保建筑结构安全的情况下，需要选择经济性较好的方案，可以有效的降低工程的成本。特别是在设计的初期阶段，对于剪力墙结构体系、材料及构件截面尺寸的选择，都会直接影响到建筑工程的造价。

目前高层建筑结构中，利用框支剪力墙较多，这样就可以在上部结构中可以采用短肢剪力墙结构，同时为了尽量的减少上下层在刚度上的变化，则可以适当的减少上层短肢剪力墙来减少剪力墙的刚度，而加大下层刚度，这种结构方案可以在保证整体结构安全的基础上，具有良好的经济性。

因建筑的层数过大，对于结构的刚度要求增加，也需要结构底部具有良好的抗剪系数，控制好层部位移和顶点位移值，确保结构的安全性，所以如果利用短肢剪力墙结构则无法满足各方面的要求，使Y构的安全性无法得到保证。

对于层数在20层以下的住宅建筑若采用传统的现浇剪力墙结构，由于墙体多为构造配筋，各墙肢的实际轴压又一般会比计算值偏小，就会导致墙体的承载力不能充分发挥出来，而采用短肢剪力墙结构，就可以很好地解决这些问题，既加大了结构的延性，提高结构的抗震性也使得工程费用随之降低。

四、剪力墙结构的优化设计措施

（一）基础方案与承重构件的优化设计。剪力墙结构的基础设计方案应根据工程项目地质与水文条件，各项工艺、技术指标与相邻建筑的分布状态要进行科学、合理的规划，以最大限度发挥基础方案的实际作用，设计人员应尽量在原基础上进行相应的修订与整改。设计人员在进行实地考察后，应按照相关标准与规范进行承重构件的设计和选择，其根本目的是确保建筑主体结构的安全性、可靠性。例如：在剪力墙承重构件的设计中，必须考虑到墙体配筋率的问题，在国内现阶段执行的相关标准中明确指出：抗震等级为一、二、三级的剪力墙中，竖向与水平分布筋的最小配筋率应≥0.25%，而部分框支剪力墙的底部加强部位实际配筋率则要≥0.3%。与上世纪80年代相比，现在规定的配筋率已经明显提高，而且基本实现了与国外建筑行业要求的配筋率接轨，所以，在剪力墙结构设计工作中，设计人员在基础方案与承重构件的优化设计中，必须注重相关标准与工艺参数的合理选用，特别是要符合国家建筑主管部门出台的最新设计标准，以保证设计方案通过审核。

（二）有效提升建筑整体结构性能。在剪力墙设计优化过程中要对其抗震性能进行强调，所以在设计时力求简单、规则，明确结构各部位受力情况，避免在灾难发手时出现局部结构受力不均衡的情况，实现对危害的有效控制。设计时要尽量避免出现结构薄弱部位，所以在设计时需要充分利用相关经验及技术参数，及时对可能产生薄弱的部位进行分析，并对方案进行修订，从而有效的提升整体结构的抗震性能。

结构设计的优化例3

翻车保护结构（Roll-over protective structure，简称ROPS）是工程车辆翻车保护系统的核心部件。ROPS设计包括刚度设计、强度设计和能量吸收设计。本文从能量吸收的角度，依据ROPS的受力特点和变形模式设计一种缓冲吸能元件，并对其结构进行多目标优化。

1 ROPS及其缓冲吸能元件设计

2.2 分析模型的建立

本文采用hypermesh软件对薄壁方管进行有限元建模和网格划分，并用Ls_dyna软件进行有限元求解和相关后处理。薄壁方管碰撞模型截面尺寸为70mm×70mm，长度为80mm。方管四壁预设四个圆形孔洞缺陷引导结构。设计变量为孔径d和壁厚t。有限元模型网格单元为边长3mm的BT壳单元，单元沿厚度方向设3个积分点。材料模型按照普通Q235钢设置24号分段线性材料。并根据Cowper-Symond模型考虑材料应变率效应，选择经验值C=40，p=5。在薄壁方形管尾端施加质量为800kg的刚性质量块，并约束除Z方向自由度以外的其他自由度。通过仿真分析得到当ROPS顶端与地面发生第一次碰撞的速度在6m/s左右。因此预设质量块和薄壁方管以6m/s的初速度沿Z轴正方形撞向固定不动的刚性墙。刚性墙摩擦系数设为0.2，输出刚性墙反力和薄壁方管尾端刚体上某点的运动信息。同时定义薄壁变形过程中褶皱之间的单面接触。

2.3优化设计流程

2.4构造响应面方程

对直方管模型中孔的半径d和壁厚t进行优化，以孔洞的半径d和壁厚t为变量，分别求解E、SEA和Fmax关于变量的响应面。取d和t的范围为 ， 。采用全因子试验设计方法在d和t的范围内选取36个样本点，用Ls_dyna软件求解出36个样本的碰撞信息。

利用最小二乘法分别求出E、SEA和Fmax关于变量d和t的四次响应面方程。

4 小结

本文从能量吸收、最大碰撞载荷和结构轻量设计的角度出发，将孔缺陷引导变形的薄壁直方管引入ROPS设计。根据ROPS的截面尺寸、受力特点和变形模式，设计出薄壁直方管碰撞模型。将有限元分析、试验设计、响应面法以及遗传算法多种手段相结合，对孔缺陷引导变形的薄壁直方管进行多目标抗撞性优化分析，得到最优的设计参数。

参考文献：

结构设计的优化例4

随着我国居民生活水平的不断提高，人们对居住环境和住房要求也越来越高，尤其是对房屋的结构设计、外观设计、功能设计都要求其既有美观性又有舒适性。目前我国房屋的构建过程比较固定化，由于不能依赖工厂或机器对结构部件进行设计和加工，因此只能依赖于现场施工，从而对工期的计划、房屋的设计存在一定的限制性。按照如此现状，在进行房屋结构设计准备时期时，应优先考虑到建筑结构的优化方法，便于提高现场施工的效率性，并且增强结构设计的稳定性和经济性。对此，笔者认为建筑结构优化方法在房屋结构设计中的应用不容小觑。

1建筑结构优化方法在房屋结构设计中应用的必要性

全面优化建筑结构设计理念，有效实现对房屋建筑构造的优化作用，这一举措不仅能灵活的把控好建筑成本，还能增强房屋的实际使用价值以及美观度。从另一方面而言，建筑企业通常会以最小的投资换取最大的经济效益，这就要求了房屋建设时对结构设计需要做到合理性、安全性、实效性，把建筑结构优化法的优势体现的淋漓尽致。相比传统的旧房结构设计，建筑结构优化方法的优势主要体现在：第一，对房屋结构的稳定性和安全性起到首要保障；第二，对房屋内部所有的结构组织能够科学性的调整；第三，使材料的功能运用更加科学性；第四，使项目成本比起以往能够降低三分之一左右。

2建筑结构优化的具体实施

2.1提升建筑结构整体性的优化方法房屋结构设计优化的突破点首先是对房屋设计整体性的把握以及对房屋细节结构的优化设计。针对目前房屋的细节结构优化设计到多个方面，其中包括围栏、屋顶、门架等各个地方，这些地方不仅需要设计师颇心观察和巧妙设计，还要同时注重它们的实用价值和经济花费的平衡性。在优化设计过程中，对项目工程的实地勘察是必不可少的，依据实际情况酌情分析得出优化设计方案。当具有整体性的结构优化方法灵活应用到房屋结构设计中时，既保障了房屋的整体牢固性和安全性，在某些突况下，又可以预制安全事故的发生，把具体损失较低到最低。就算没有突况，建筑结构整体性的优化也应事先思量出各种情况，例如地震自然现象，那么对房屋钢筋结构的要求就十分重要，因此，在钢筋的选材和施工必须依照工程标准，如此一来才能使建筑实施设计做到整体性的优化。2.2提升建筑结构节能性的优化方法。节能性的结构优化方法是国家提出的构建健康绿色家园的口号，以经济效应性、优化环境性等条件作为设计理念，灵活优化房屋设计结构。优化方法主要有：第一，房屋的采光是非常重要的，为了使房屋的结构设计全面吸收到阳光和采暖，首先要做到对实际地理环境、气候条件、城市规划进行核查，在了解其现状情况后对其决定房屋的朝向，既保障了房屋能得到优质的采光，还形成了良好的通风系统；第二，为保持房屋外形设计的美观度，尽量避免房屋与寒风形成直角的对立状态，这样一来便能有效的减低热能量的散却速度，间接性的达到高效节能的效果；第三，后期对房屋的维护都应提前周详考虑，尤其是屋顶、门窗等结构就是关键表现，例如朝阳方向的窗户设计一定要区域够大，最大限度的保证阳光的充足性，背对阳光的一面要把控好窗户的数量设计，预防屋内热量的散发。对于房屋屋顶结构的要求一定要加装循环水管的设计，营造出冬暖夏凉的舒适感。2.3提升建筑结构选材的优化设计。从控制工程成本的研究调查中发现，高强度、高韧性的建筑选材对降低工程成本是非常有效的。因为高强度、高韧性的建筑材料对结构构建的截面可以最大限度的降低，为其它结构的设计余留出更充足的空间。2.4提升建筑结构基础设计的优化。在建筑结构的房屋设计优化过程中，基础建筑结构是房屋建设的主要单元，对其重视优化设计是尤为关键的。在房屋基础结构设计方案中，按构造形式可分为条形基础、独立基础、满堂基础和桩基础；按使用的材料分为：灰土基础、砖基础、毛石基础、混凝土基础、钢筋混凝土基础；按埋置深度可分为：浅基础、深基础。在满足设计理念和相关标准的前提下，根据不同类型的排查，因地制宜选取不同的基础结构优化，这样既维护了建筑结构的合理性和安全性，又有效的减短了项目预期工期，从而降低人工成本和时间成本。

3总结

综上所述，建筑结构优化方法在房屋结构设计中的应用有拙见的成效，不仅对建筑企业的可持续发展带来了稳定的经济效益，还对建筑结构设计的优化研究起到了推动作用，使更多的研究者、开发商、企业家重视房屋建筑结构实施设计优化的重要性，促进社会经济的全面发展。

结构设计的优化例5

中图分类号：TU318文献标识码： A

一、建筑结构设计优化的重要性

在房屋结构的设计中，采用合理的建筑结构方案，不仅能够实现建筑物的实际使用价值，而且还能够很好地实现建筑物的经济价值和环保价值。通俗的讲，好的结构方案不仅可以在最大程度上为建设单位减少资本投入，带来更多的经济效益，而且还可以科学有效地保护建筑施工场地的生态环境，从而实现建筑经济利益与环境保护相结合的模式。因此，合理地使用建筑结构优化技术能够更好地实现建筑的综合效益。建设单位从事建筑开发的基本原则就是在最大程度的减少资本投入、减少建筑材料使用的基础上，实现建筑的高质量和长期使用【1】。建筑只有在保证良好质量和长期使用的前提下才能够实现建筑美观、耐用、新颖等特点，从而满足不同人群的需要。与传统的建筑结构设计方案相比，建筑结构设计的优化可以有效地降低建筑结构成本投入。其采用的结构设计优化措施可以科学地实现建筑施工过程中各种资源的合理配置，以及各项建筑材料的充分利用，并且更好地协调建筑空间布局，使得建筑空间布局能够有效的结合，共同发挥其使用功能。因此，合理的利用建筑结构优化技术，在确保建筑安全性能的前提下能够充分的体现出建筑结构创新性。此外，这种技术还能够帮助结构设计人员选择最为合理的设计方式。

二、建筑结构设计优化的理论体现

在进行建筑结构设计时，我们不仅需要考虑其安全性、可靠性以及基本功能的健全性，还需要考虑建筑本身的美感与艺术感，这就是结构设计优化的相应体现。从理论上对建筑结构设计的相关优化方式进行分析，我们可知，建筑结构的的设计优化方式在现实应用中，主要体现在建筑结构整体的优化和建筑结构分层的优化上。对于建筑结构整体的优化，我们不仅应尽量减少结构质量中心和结构刚度中心的相关性差异，而且还应保持建筑结构的对称性和规则性，但是这些结构设计的理念同时应满足建筑设计师的设计要求。对于建筑结构分层的优化，在满足建筑本身功能的前提下，竖直方向应尽量让同一方向的竖向承重构件达到上下相通，而且为了减小在结构设计上的难度，宜尽量避免转换层结构的使用。在竖直方向的设计还应充分考虑刚度的相关要求，刚度的变化应保持均匀性而不是突变性，否则一旦出现刚度的突变会严重影响建筑结构在抵抗水平方向上的荷载作用性能。

三、建筑结构设计优化的方法

1、优化结构设计模型

建筑结构的优化可以分为以下几个阶段:

1.1 对变量的选择。一般情况下，建筑师决定的最终建筑设计方案起到重要的作用，这些重要的建筑数值均可以作为变量供建筑设计人员进行选择。例如:工程参数的参考，包括对房屋价格的参考、对于其损失的参考等等。设计人员若能够将变化幅度较小或考虑因素较少的参数作为设计的参考，建筑结构的设计和编程难度将会大大降低，设计人员也能够更快的找到最符合设计目标的数据【2】。

1.2 对函数的确定。设计人员要选择出最符合配筋率和房屋结构构件尺寸的一组函数，进而在最大程度上降低建设成本。

1.3 对施工条件的衡量。想要进一步确保建筑结构的稳定性，就需要从房屋的受力限度、变形限度、结构的稳定性、房屋结构构件的尺寸、结构构件裂缝的限度、房屋的结构体系等方面考虑。在实际的建筑结构设计过程中，设计师应该结合建筑使用方案和房屋的施工条件，分析出实际设计中存在的约束性条件，并且要确保解决这些约束性条件的方案要符合我国现行的规范规定，以保证建筑结构的设计结果达到最优。

2、科学设定优化设计的相关方案及应用程序

首先，依据可靠度而开始进行房屋结构设计的优化通常都具有很多约束条件，有时会遇到非线性的相关优化问题。所以在相应的计算中，会进行相应的转换，将有约束的优化转化成无约束的优化，而相关的计算、方式有拉式乘子法、powell 法等。其次，依据可靠度而开始进行房屋结构设计的优化基本模型，以及在设计时运用的相应的计算方式，为了可以更好地实现其效果，能够将这些编纂成一个运算速度较快而且功能全面的综合性、科学性的应用程序。这样能使整个优化设计更加全面地、有效率地进行实施。

3、对统计结论进行分析

设计人员在进行了各种计算之后，要对统计结果进行认真的分析，并且找出各个设计方案中不同点和相同点，并且结合总体的设计情况和进展选择最佳的设计方案。设计人员在进行结论分析的时候，要注意不要遗漏一些细节问题。房屋的建设与设计是一项耗时长、成本高的项目，它不仅涉及到建设单位的利益，也涉及到了房屋使用者的利益，设计人员在把握细节的基础上，要注意从宏观上把握住当事人的利益，这样才能够有效的节约建设成本，进一步优化建筑结构。在进行建筑结构优化的时候，设计人员不仅要避免追求片面的利益，还应该避免为了追求设计创新而忽略了建筑实际情况。

四、建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用分析

1、对建筑主体上部结构进行的科学性优化

房屋建筑的上部结构设计应当建立相应的模型并进行系统的优化。整个过程第一步就是先合理地设置剪力墙，保证剪力墙整体的布置是均匀的，这样使楼层平面刚度的中心点重合于楼层平面质量的重心，从而减少地震作用及风荷载等对其的破坏性。在房屋结构设计时，如果条件允许，应尽可能地对剪力墙进行大开间的布置，加长剪力墙的墙肢长度，这样既能减少墙肢的数量，还能在符合规范的条件下减少混凝土的使用量。另外，剪力墙内的暗柱一般都设置了钢筋，如果采用较大的剪力墙就可以减少相对的钢筋使用数量，从而相应减少的材料成本。然而如果建筑的本身不具有相应的条件，而且对于抗震抗压的要求较高，就不得开间过大的剪力墙。

2、房屋建筑的整体性与局部性优化

建筑在设计过程中都应具备相应的层次性和复杂性的特点。从层次性角度来讲，建筑体系包含着建筑整体设计体系、结构相关体系及安装体系等，每一个单独的体系又包含了众多的下属体系。在对房屋进行设计时，设计者要对每一个下属系统地进行相应的优化，冲破关联的横向性，实现叠加型工程;对于复杂性角度来讲，主要包含选取建筑的材料、选取建筑的零部件等。因此在进行结构优化时要从整体入手，才能真正实现结构整体的设计优化。

3、结构优化与建筑优化保持协调

对于结构设计既要保证结构的整体性，又要与建筑平面功能紧密配合，这样才能实现建筑本身的功能与结构相应合理性的效果。对于建筑系统来讲要保证平面简洁，墙体与立柱不能有错位的现象，高度与截面的面积相通。在楼体设计时，自身受力较多的转角区域，要选择高强建材做为承重的材料，从而更好地降低自重。对于结构整体来讲要保证重心、刚心、质心三者正确交叠，防止扭转的状况出现。

4、直觉优化技术与建筑结构设计

即使对于同一个建筑方案，结构布置方面也可能存在诸多的差异。建筑结构的布置如已经确定，即使荷载情况是完全相同，也可以将差异化的分析方法给应用进来。在分析过程中，也可以采取差异化的设计参数、材料和荷载的取值，对于建筑结构的细部处理，更是存在着诸多的差异。现在建筑结构的计算大多都是靠计算机来完成的，但很多问题都是计算机无法完全解决的，那么就需要靠设计人员进行科学的判断。在判断的过程中，需要严格依据结构设计的一般规律，总结过去的工程实践经验，这也就是我们所说的概念设计。因此，设计师在选择多种备选方案的过程中，就需要应用到概念设计。

5、建筑寿命优化与阶段性优化。

在建筑的使用年限内，需对建筑每一阶段进行相应的结构方案优化。房屋结构的设计者要考察各个阶段的特点，根据实际情况进行优化方式的确定，从而对工程的整体寿命进行科学的优化。这样，既保证了建筑产品质量，又提高了建筑企业的经济效益。

结束语

综上所述，建筑结构设计优化对于整个建筑工程的质量与美观都有着重要的促进作用，建筑结构设计优化方法在房屋建筑结构中的应用，在很大程度上促进了建筑结构设计的科学性和合理性，因此，有必要不断加强建筑结构设计优化方法的广泛应用。

参考文献：

[1]王也. 建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用[J]. 中华民居(下

旬刊),2013,03:81-82.

结构设计的优化例6

一、引言

针对建筑进行评价的指标比较多，同样的，针对建筑性能评价的指标也多种多样。一般的来讲合格的、高质量的建筑，外观应当是美观且大气，同时整个房屋建筑的基本结构完整、质量上乘，所使用的材料也相当考究。针对房屋结构设计的质量好坏、水平高低进行评价，对于整个建筑功能性的发挥以及整个建筑的后期使用均有着巨大的意义。所以，有必要针对房屋建筑的结构设计理念进行分析，对传统的设计理论进行优化和改良，以现代化的审美标准来提高房屋结构设计的水准，促进我国建筑事业和相关设计行业的不断发展。

二、建筑结构设计优化的基本理论

房屋结构设计，是一项技术含量很高的专业性活动。设计人员在进行具体房屋结构的设计时，应当兼顾建筑物的各种性能指标，包括使用价值指标、美学价值指标等。建筑物的功能价值，指的是建筑物作为人们的日常住所必须具有的遮挡风雨、抗温度变化等基本功能；建筑物的审美价值，指的是建筑物的外形要美观、结构搭配要协调，从而给人以美的享受。设计者不仅要考虑到房屋的基本性能，还要考虑到房屋的结构搭配以及美学价值的大小。在这样的设计理念指引下，设计者就要从拟定的多种方案中选择一种最佳方案，以实现房屋结构设计的综合目标。我们可以将这个方案筛选过程用科学化方式加以表达，运用建筑学和相关的数学知识，在许多种设计方案中，选择一种与设计目标最相符的、最能体现居住着需要的设计方案。

建筑结构设计优化，指的是在设计建筑结构时，要改革设计理念，应用科学、先进的设计方案筛选方式，选择出在各方面都能达到最佳效果的设计方法。建筑物内部的结构十分复杂，要将建筑物的各个部分完美组合在一起，使建筑物发挥最佳的功能，并不是一件容易的事情。建筑结构设计优化，具体包括建筑区中各个部分结构设计的优化，以及建筑物整体设计结构的优化。在这两个部分中，建筑区整体结构的优化显得更为重要，因为整体是各个部分的综合，在完善房屋高性能方面发挥着更大的作用。具体来说，建筑物整体结构的优化包括房屋顶部设计的优化、房屋设计的优化，以及房屋细节结构设计的优化。在这三个大部分中，还可以细分出型号选择、布局设置、受力研究、价格衡量等较小的设计项目。在实际的结构设计中，设计者还要紧密结合建筑工程的实际情况，努力实现房屋建造的经济效益、社会效益和环境效益。

在确保房屋结构性能稳定的前提下，设计者要大胆创新，敢于探索新型的结构优化方案。在进行建筑结构设计的过程中，设计者要平衡房屋使用者和建造者的利益，充分考虑房屋建筑工作者的意见；在满足建筑物建造者需求的基础上，寻求新式的房屋结构布局方法。

具体而言，房屋的平面结构应当凭证，体现出建筑物的对称美，并尽量减小平面建造质量与房屋刚性结构要求之间的差异，使得房屋在承受较大的水平方向作用力时，不至于发生结构性的扭曲；在满足居住着使用要求的基础上，设计者应将房屋的承重结构设计成竖直贯通的形式，以便增强房屋对竖直方向压力的承受能力；尽量不更换房屋原有的转换结构。因为一旦更换这些结构，就会消耗大量的建筑原料，不符合房屋建设的经济性的要求，还不比较容易造成外来压力集中于某一个承受点上的现象；竖直方向的刚性程度设计要遵循渐变规律，避免刚性结构角度的突然改变。否则，角度突变的部位在受到强烈的水平压力时，不容易转移压力，这对于房屋整体抗压性能的提升是很不利的。

三、房屋结构设计优化方法概述

在建筑结构设计工作中，造价是极为关键的一个环节，也是整个工程中比例极为重大的问题。结构设计优化技术的选用对于造价控制极为关键，可以产生客观的经济效益。为此，建筑设计部门和有关工作人员在工作中必须要遵守经济、适用、合理、科学的设计原则，精心设计，采取科学的现代化技术手段制定出能够满足建设设计、工作要求的设计方案，从而实现降低工程造价、取得工程最大经济效益的目的。

1.结构设计优化技术分析

在刚从事建筑工程项目结构设计的时候，除了考虑到设计对象的基本使用功能以及安全可靠性之外，还应当在工作中考虑到将它作为设计对象来进行分析，使得其尽可能的达到完美。这就是工程和结构的最优化问题，是一个用科学的语言来描述的问题。对于利用确定的数学方法，在所能的设计方案的集合中搜索出可以让人满足、达到预计标准的方案。

结构设计优化方法从建筑理论上进行分析，主要是体现房屋工程分布结构的优化设计和整体结构优化设计两个不同的方面。其中房屋结构整体优化设计则是一个涵盖了房屋系统的设计、房屋围护结构设计、房屋选型设计、房屋布置、房屋受力分析以及地面工程等多个环节的复杂工作。而局部设计主要是指对房屋某一部位和分项工程进行优化和改进的结果。

2.房屋结构优化设计的意义

就一个建筑工程项目而言，结构设计优化技术的应用不仅可以达到降低工程造价、提高工程效率的效果，而且对于实现房屋的美观性、实用性以及室内空间的个性化布置有着重要的意义。在建筑市场上，每一个单位和企业都希望工程在满足建筑结构长远效益的基础上，最大限度的减少和降低建筑结构的近期投资，同时保证建筑物的节后可靠性、科学性，也只有这样，才能够在工作中实现持续发展、可持续发展以及更多的市场经济效益。

四、结构设计优化技术在建筑结构设计中的应用

结构设计优化方法和技术使用于实践之中的一个广泛课题，是建筑工程项目的整体设计、前期设计、抗震设计等多个部分环节组成，利用结构优化的方法不改变使用性能的前提降低工程造价，已取得巨大的经济效益。

1.结构设计优化前注重事项

结构设计过程中，前提方案时明确设计方案目标的前提，前期方案的确定直接影响建筑的总投资，而现在存在的普遍问题就是前期方案阶段机构设计并不进行参与，设计者进行建筑设计时大多不考虑结构的合理性以及它的可行性，但是建筑设计的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，并使得建筑的总投资提高。如果在方案的初期，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.直觉优化（概念设计优化）技术与建筑结构设计

直觉设计用于没有具体数量的情况下，由于不确定性和计算难度大等差异，在对于统一建筑方案，可以有许多不同的结构布置设计；确定了结构布置的建筑物，即使在同种荷载情况下也存在不同的分析方法；分析过程中设计参数、材料、荷载的取值也不是唯一的；建筑物细部的处理更是不尽相同，这些问题是计算机无法完全解决的，都需要设计人员自己作出判断。而判断只能在结构设计的一半规律指导下，根据工程实践经验进行，这便是前面所说的概念设计。因此，概念设计存在于设计师对多种备选方案进行选择的过程中。

3.概念设计处理的实际建筑设计问题

概念设计所要处理的问题是不确定的，多种多样的，例如一些抗震能力。但可以肯定的是希望通过概念设计，建筑结构能在各种不期而遇的外部作用下不受破坏，或是破坏程度降至最低。因此，分析如何应付建筑物可能遭遇的各种不确定因素成为概念设计的重要内容。其中，地震作用最为难以琢磨，破坏性也最大。故而，建筑设计过程中就应该未雨绸缪，从计算及构造等各个方面都要采取一些有助于提高抗震能力的措施，不利于抗震的做法则应尽量避免。刚度均匀、对称是减小地震在结构中产生不利影响的重要手段；延性设计则能有效地防止结构在地震作用下发生脆性破坏。

五、结束语

综上所述，只有合理地选择建筑结构设计方案，不但可以满足相应的技术要求，还能节约工程成本，因此在建筑结构优化设计时，合理的设计方案极其重要。但是建筑的结构优化设计非常复杂，且具有很强的综合性，因此必须深入研究对建筑结构设计的优化方法。

参考文献：

结构设计的优化例7

在房屋建筑结构设计过程中，在满足建筑设计师设计意图的基础下，平面布置应当尽量保持对称和规则，尽可能的缩小刚度中心和质量中心之间的差异，从而使建筑物在水平荷载下不至于发生太大扭转。在竖向布置上，在满足功能的前提下，应尽可能的使竖向承重构件上下保持贯通，可以不使用转换层则尽量不使用，避免造成结构分析和设计上的困难。竖向刚度尽量不要突变，应采取渐变的方式，避免应水平荷载作用产生严重的应力集中现象。

在工程项目和结构设计时，除了考虑设计对象基本的使用功能和可靠性外，还要考虑把设计对象尽可能设计的更完善一些，这就是研究结构设计优化技术的主要目的。它用科学的计算选取更合适本项目满意的结构方案。

一、房屋建筑结构优化设计模型与方案

房屋建筑工程分部结构优化设计包括以下几个方面：房屋基础结构优化设计、房屋屋盖系统方案优化设计、围护结构方案设计优化与结构细部设计优化。针对以上几个方面的优化设计，还包括了选型、布置、造价、受力等内容进行分析。在实际实施中，还应该根据实际情况出发，再结合具体工程实施情况，围绕房屋建筑综合经济效益目标进行结构优化设计。

（一）系统结构优化设计模型。结构设计优化是在各种影响变量中选取主要的参数建立函数模型，运用科学的计算方法得出最好的优化方案。结构优化建立模型大概分为以下几个步骤：设计变量中主要参数的合理选择，通常的变量选择主要选择对于总体结构影响较大的参数，将所有的参数按各自的影响属性划分分类，将影响不大的参数定为预定参数，这样可以减少函数模型中大量的计算。目标函数一旦确定，使用函数找出符合条件的最优解。最后是约束条件的确定，房屋建筑结构可靠性优化设计的约束条件包括了应力约束、结构强度约束、裂缝宽度约束、尺寸约束。在优化设计中，确定各种约束条件务必符合现行规范要求。

（二）系统结构优化设计方案。在结构设计中应设计多个变量和多个约束条件，设定计算方案时，常常将由约束条件转换为无约束条件计算，常用的方法包含有符合型法和拉式乘子法。在完成计算方案设定时只需要编制相适应的运算程序即可得到最优化的结果。

二、结构设计中优化技术应用所面临的几个问题

将结构优化设计应用到实践中，是比较广泛的一项措施，利用结构优化设计方法可以不改变使用性能下达到降低工程造价的目的，结构优化设计应用于整体设计、前期设计、抗震设计、旧房改造等各分部环节都能发挥巨大的效益。在时间应用中，应当注意几个问题。

（一）前期参与。前期方案的确定将直接影响到整体建筑的总投资，前期方案阶段结构设计并不参与是现在所面临的一个问题，建筑设计师在建筑设计时对于建筑结构的合理性和可行性大多没有考虑，但建筑设计结果会直接影响结构设计，有些方案有可能造成建筑总投资增加和结构设计的难度提升。假如我们在方案的初期，就选择合理的结构优化设计，那么我们就可以根据不同的建筑类型，选择合适的结构形式和合理的设计方案，打好一个良好的基础。

（二）细部结构设计优化。概念设计运用于没有具体化数值情况下，需要设计人员在设计过程中灵活运用结构设计优化方法，从而达到最好的效果。在细部结构设计优化中，注意各细节部分的设计，比如现浇板中异形板拐角处易出现裂缝，可把异形板划分成矩形运用。

（三）地基基础结构设计。地基基础结构设计优化首先应选择合理的方案，如果是桩基础，则要根据现场的地质条件选择合适的桩基类型，桩端持力层对灌注桩桩长选择有很大影响，应多比较选择合适方案。

三、结构设计优化的作用

（一）降低建筑总造价。在结构优化设计中，建筑层数越多，总建筑面积增大，单位建筑面积占用土地面积将越小，这样节约了土地占用面积，但随着建筑层数的提高，总建筑高端提升，楼与楼之间间距也在提升，传给基础结构的荷载也会增加，我们则要增大基础，又会扩大土地占用面积。虽然这样单位面积会有所降低，但是还是没有屋盖效果那么明显。

（二）提高建筑结构经济性。随着建筑层数提高，墙体面积和柱体积也会增加，导致结构自重增加，基础结构的承载力相应增加，水、电气管线相应加长，如果层数降低，可节约材料、利于抗震等，当建筑高度减少，两建筑间的日照距离也相应减少，间接节约了用地。如果建筑面积相同，选择的不同的平面形状，建筑外侧外墙的周长也会不同，合理的平面模型使外墙周长减少，外墙砌体、基础设施。内外表面装修都会减少，与此同时还提高了受力性能，增强建筑经济性。优化方法的运用，协调了建筑各部分单元，使建筑在更加美观的同时增强了建筑的可实用性，还减少了总体建筑的工程造价，这符合了现建筑结构的效益需求。

当前，随着我国经济快速发展，人们对于居住条件和生活环境要求越来越高，利用结构设计优化技术对建筑房屋进行优化设计，使其结构和美观相互协调，同时安全、经济、适用和便利是改善人们居住环境的重要手段。房屋结构设计优化理念注重以实际情况为准则，根据工程建设的基本情况，以控制造价成本为中心来进行结构优化设计，其内容就是利用对建筑的基础结构、屋盖系统结构方案和围护系统结构方案等环节，建立起一种关于结构优化设计模型，通过对各种不同的影响变量参数中的关键参数进行科学的计算，确立最终的建筑工程结构设计的优化方案。房屋建筑结构优化设计意义重大，一方面是大大提高建筑结构经济性，房屋建筑进行结构设计优化可节省材料，有利用抗震，减少内外表面装修，提高了其受力性能，增强了建筑的经济性能。二是结构优化设计大大降低了建筑工程的成本造价。节约用地，大量资料表明，房屋建筑进行结构设计优化能够有效降低工程成本造价25%左右，同时结构优化设计技术能够对施工材料的性能利用更加合理化，能够让建筑工程结构内部各个不同单元之间更加充分互协调，提升了建筑工程结构设计的经济性。

房屋建筑结构设计优化技术在现实的运用中，可以达到物美价廉的效果，不仅实现了房屋的美观和实用性，而且突出的节约了工程造价。在每个投资者眼中，在保证建筑结构可靠性和科学性的前提下，同时在建筑长远效益下，最大程度的节约工程成本，是首先考虑的因素，这样才能实现可持续性发展，用最低的投资成本获取最大的经济效益。

五、结论

房屋建筑结构造价在工程中是考虑因素较大的一个方面，结构设计优化技术的运用产生了巨大的经济效益。所以建筑部门和建筑设计人员应当遵守经济性、适用性和合理性的设计原则，再运用现代高科技手段，选择运用合适的建筑结构设计方案，用以实现降低建筑总工程造价并获取更大的经济效益。

参考文献：

[1]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）：160.

结构设计的优化例8

中图分类号：TB482.2文献标识码：A文章编号：

前言：

赏心悦目的建筑是建筑的美观与结构设计相互协调密切配合的结果。建筑结构设计追求适用、安全、经济、美观和便于施工五种效果，而建筑设计优化设计技术方法的应用不但满足了建筑美观、造型优美的要求又能使房屋结构安全、经济、合理，成为实际意义上的"经济适用"房。从建筑上分析结构设计优化方法，它主要体现在房屋工程分部结构的优化设计和房屋工程结构总体的优化设计量方面。

房屋工程分部结构优化设计包括：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括选型、布置、受力分析、造价分析等内容，在实施过程中，还应该按照一切从实际出发的原则，结合具体工程的实际情况，围绕房屋建筑的综合经济效益的目标进行结构优化设计。进行结构设计时，应在满足设计意图后，尽量使平面布置规则，缩小刚度和质量中心的差异，这样水平荷载就不会使建筑物有太大的扭转作用。竖直方向上应避开使用转换层，减少应力集中现象。

1.结构设计优化方法

1.1结构设计优化模型

结构设计优化就是在各种影响变量中选择主要参数，并建立函数模型，运用科学合理的方法得出最优解。结构总体的优化建立模型的大致步骤如下：一是设计变量的合理选择。通常的设计变量选择对设计要求影响较大的参数，将所涉及的参数按照各自的重要性区分，将对变化影响不大的参数定为预定参数，通过这种方法可减少很多计算编程的工作量。二、目标函数的确定。使用函数找出满足既定条件的最优解。最后，约束条件的确定。房屋结构可靠度优化设计的约束条件，包括了应力约束、裂缝宽度约束、结构强度约束、尺寸约束、从正常时的极限状态下弹性约束到终极状态的弹塑性约束、从可靠指标约束到确定性约束条件等。设计中，要保证各约束条件必须符合现行规范的要求。

1.2结构优化计算方案

结构设计优化设计多个变量、多个约束条件，属于一个非线性的优化问题，设定计算方案时，常将有约束条件转变为无约束条件来计算。常用的方法有拉氏乘子法、符合型法、Powell等。完成计算方案的设定后只需编制相应适用的运算程序即可得到我们的最终优化结果。

1.3结构设计优化应注意前期参与

因为前期方案的确定直接影响建筑的总投资，而现在存在的普遍问题就是前期方案阶段结构设计并不进行参与，建筑师进行建筑设计时大多并不考虑结构的合理性以及它的可行性，但是建筑设计的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，并使得建筑的总投资提高。如果在方案的初期，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.结构设计优化在房屋结构设计中的现实意义

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。另如屋盖部分，一栋楼只有一个屋盖，并不会因为层数的增加而有所改变，它的成本下降会比较明显。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。3.结构设计技术在房屋结构设计中的应用3.1 直觉（概念设计优化）技术与建筑结构设计 对于同一建筑方案，可以有许多不同的结构布置设计；确定了结构布置的建筑物，即使在同种荷载情况下也存在不同的分析方法；分析过程中设计参数、材料、荷载的取值也不是惟一的：建筑物细部的处理更是不尽相同，这些问题是计算机无法完全解决的，都需要设计人员自己作出判断。而判断只能在结构设计的一般规律指导下，根据工程实践经验进行，这便是前面所说的概念设计。因此，概念设计存在于设计师对多种备选方案进行选择的过程中。 3.2 概念设计处理的实际建筑设计问题 概念设计所要处理的问题多种多样。但可以肯定的是希望通过概念设计，建筑结构能在各种不期而遇的外部作用下不受破坏，或将破坏程度降至最低。因此，分析如何应付建筑物可能遭遇的各种不确定因素成为概念设计的重要内容。其中，地震作用最为难以琢磨，破坏性也最大。故而，建筑设计过程中就应该未雨绸缪，从计算及构造等各个方面都要采取一些有助于提高抗震能力的措施，不利于抗震的作法则应尽量避免。

3.3结构设计的房屋结构经济性房屋的层高增加，由于墙体面积和柱体积增加，结构的自重会增加，基础和柱的承载力相应增加，水卫和电气的管线会加长；相反降低层高，可节省材料，有利用抗震，同时建筑的总高度减小，两建筑之间的日照距离就会减小，间接的节约了用地。建筑面积相同，建筑使用不同的平面形状时，它的外墙周长也就会不同，这样当选择圆形或是越接近于方形时，外墙周长系数就越小，基础、外墙砌体、内外表面装修都随之减少，同时其受力性能也得到提高，增强了建筑的经济性能。与传统的结构设计相比，采用结构设计优化方法可以使建筑工程造价降低6%-34%。优化方法的技术性实现，可以最合理的利用材料性能，使建筑结构内部各单元得到最好的协调，不仅可以实现建筑美观、实用，而且在造价方面也有较大的节省，达到了建筑工程设计对适用、安全、经济、美观和便于施工的一般要求。通过使用优化设计手段，达到这5个方面的最佳结合，符合现今建筑商对于建筑结构的效益的需求，也符合市场可持续发展的需求。4.结语

建筑是凝固的艺术,建筑师总是希望通过建筑物表达自己的设计意图,力求艺术性和实用性的完美结合。结构师在保证安全性的前提下,当然应该敢于挑战新的结构形式,使建筑师的意图得以实现。在建筑结构设计的过程中,在基本满足建筑师设计意图的基础上,平面布置应尽量规则,对称,尽量缩小质量中心和刚度中心的差异;使建筑物在水平荷载作用下不致产生太大的扭转效应。竖向布置上,在满足功能要求的前提下,尽量使竖向承重构件上下贯通;能不使用转换层的就应避免使用,以减小结构分析和设计上的困难,另外也不经济,还容易造成应力集中;竖向刚度最好不要突变,而要渐变,否则突变处在水平荷载作用下会出现严重的应力集中现象,这对结构抵抗水平动力荷载是十分不利的。

参考文献：

[1]张炳华.土建结构优化设计[M].上海：同济大学出版社，2008：34-36.

结构设计的优化例9

引言

工业是我国国民经济支柱产业。保证工业安全生产，提高工业基础设施建设水平是工业发展的必要条件，为此人们对工业厂房建筑的建设逐渐给予了更多的关注。在厂房建设过程中，结构设计是第一步关键工作环节，其决定了厂房建设的施工质量和投资效益。为此，我们需要在现有的厂房建筑结构设计理念基础上，不断改进创新，优化结构设计方案，使厂房建筑更符合工业生产需要。以下本文就以钢结构厂房建筑为例，来简单谈谈结构设计优化技术在工业厂房建筑结构设计中的应用。

1 结构优化设计技术的作用

在现代建筑工程的项目实施过程中，结构设计是一项非常重要和关键的实施环节，起到了不可替代的重要作用。并且随着建筑结构形式越来越复杂，规模越来越大，结构设计的重要性就越突出，对于结构设计优化技术的需求也就越大。只有采用结构设计优化技术，不断使建筑的基础结构、房屋结构、维护结构以及细部构造等设计更加合理科学，才能使建筑的使用价值更高，使用功能越完善。

另外，在结构设计中通过优化技术来提高建筑的节能环保效益是非常可行的，也是相对最有效的。结构设计还在很大程度上决定了建筑工程的造价，对于提高建筑工程投资效益控制也起到重要作用。

2 结构设计优化的基本方法

目前建筑工程的结构设计优化技术的基本方法主要有两种，即直觉优化与概念设计处理。所谓直觉优化，就是指建筑工程的结构设计中，可以采用多种设计方案时，设计人员一般会根据自己的经验和直觉来判断出应当选择哪种设计方案比较合适，尤其是在确定结构布置设计、荷载分析、细部处理的设计方案时，更是无法使用计算机来代替，必须要由设计人员靠自己的判断来决定。但是在实际的建筑工程结构设计中，设计人员自己的判断是需要根据设计规律和实践经验来判断，其在一定情况下，还是需要结合概念来进行设计处理。为此在结构设计优化技术中，概念设计处理也是非常常见的优化技术方法。

3 钢结构厂房的结构设计优化技术应用

本文以钢结构厂房为例，来详细探讨结构设计优化技术的具体应用。

3.1 厂房钢结构设计优化的基本原则 首先，要保证有足够的工作空间。其次，在生产中机械设备的运行往往会带来一定的震动，为保证厂房的安全性，在优化厂房结构设计时，需要重点对结构的抗震性进行设计。再者，一些厂房在生产中会散发大量的热量，而钢本身具有很大的传热性能，若温度过高时，钢结构的强度也会减弱，为此设计中还注重对钢结构的耐热性进行优化设计。最后，厂房的支撑体系设计、屋面设计和立面设计也都要充分结合实际需要，合理设计，提高厂房结构设计方案的经济性和合理性。

3.2 钢结构厂房的抗震性设计优化 首先，在进行总体布置的时候，厂房结构的质量和刚度分布应该具有均匀性，钢架是厂房横向结构选择的最佳材料，通过这种形式，可以使钢结构的受力性能得到充分地应用，并且横向结构变形几率也在一定程度上有所降低。其次，钢结构厂房出现破坏，通常情况下，并不是因为杆件没有足够的强度，在很多时候是因为杆件没有稳定性而使其出现破坏现象，因此，布置支撑系统要具有一定的合理性。第三，在地震影响下，低周疲劳作用有所发挥，而在设计过程中，应该着重考虑它对厂房所产生的影响。在设计结构连接点的时候，节点的破坏要晚于结构构件的全截面屈服，结构构件应该加入到塑性工作中，将其中地震能量充分地吸收进来，从而发挥抗震能力。

3.3 钢结构工业厂房的耐热性设计 钢结构工业厂房防火能力很差，当钢材受热在100℃以上时，随着温度的升高，钢材的抗拉强度降低，塑性增大；温度在250℃左右时，钢材抗拉强度略有提高，而塑性却降低，出现蓝脆现象；当温度超过250℃时钢材出现徐变现象；当温度达500℃时，钢材强度降至很低，以致钢结构塌落。因此，当钢结构表面温度处于150℃以上时，必须做隔热及防火设计。这样可以增强建筑的耐热能力，使建筑更加的安全。

3.4 屋面支撑系统及屋面结构的设计优化 屋盖支撑系统的布置应根据厂房跨度、高度、柱网布置、屋盖结构形式、吊车吨位和所在地区的抗震设防烈度等条件来决定。一般情况下无论有檩或无檩体系的屋盖结构均应设置垂直支撑；在无檩体系中，大型屋面板有三点和屋架焊接，可起到上弦支撑作用，但考虑到施工条件的限制和安装需要。无论有檩或无檩体系屋盖均应在屋架上弦和天窗架上弦设置上弦横向支撑。对于屋架间距不小于12m的厂房或厂房内设有特重级桥式吊车或厂房内有较大振动设备的均应设置纵向水平支撑。屋面的排水及防水设计在屋面设计中需重点考虑，根据《屋面工程技术规范》的规定，屋面坡度最小为5%，在积雪较大的地区，坡度应适当加大。单坡屋面的长度主要取决于所在地区的温差以及降雨所形成的最大水头高度。根据工程设计经验，单坡屋面长度宜控制在70m以内。目前，市场上钢结构屋面的做法常用的有两种：①刚性屋面：双层彩色压型钢板内夹保温棉；②复合柔性屋面：由屋面彩钢板内板、隔气层、保温层、卷材防水层组成。

3.5 立面设计的优化 在厂房轻钢结构的设计中，除了要对力学性能进行优化设计以外，还需要对其立面设计进行优化。尤其是要对厂房轻钢结构的规模、线条、色彩等方面进行优化设计。由于厂房一般多用于生产，因此在设计其立面的规模和线条时，可以考虑设计简单统一的立面。在色彩选择上，也可以尽量考虑彩色的钢板，避免整个厂区都处于一种单调沉重的混凝土结构中。尤其是在厂房的出入口、外天沟已经收边泛水等部位进行合理优化设计，在保证其基本功能的基础上，实现良好的立面效果。使厂房给人一种亲切的感觉，从而调节员工的心情，提高工作积极性。另外，线条是表现轻钢结构建筑风格最独特的特征，均匀的线条或横或竖，使得轻钢结构建筑富有流畅的金属质感，体现了强烈的现代工业气息。很多厂房在设计上往往考虑到采光问题而在墙面上挖较多的孔洞，破坏了立面效果，笔者建议可以大量使用屋面采光板，以此来解决采光和立面效果的矛盾，同时还能解决厂房的通风问题。

4 结束语

随着工业现代化的不断发展，工业生产对厂房的功能和性能都提出了更高的要求，为了满足现代工业的厂房建设需要，我们必须要不断的改进设计理念，优化厂房结构的设计方案。目前钢结构逐渐成为厂房建筑的主要结构形式，在对其进行结构设计优化时，需要结合钢结构的特点，和实际的工业生产需要，对钢结构的抗震性、耐热性和支撑系统进行优化设计，同时还要注重厂房结构设计的立面设计，在满足厂房基本功能需求的基础上，设计出优美大方，更符合工业性质的厂房结构设计方案，从而提升我国厂房建筑结构设计水平。

参考文献：

[1]蔡红军，蒋凤鸣，董辉.浅谈钢结构厂房设计[J].中国科技信息，2010（19）.

结构设计的优化例10

随着业主对建筑物安全性、适用性提出越来越高的要求，建筑结构设计优化成为企业在激烈竞争中脱颖而出的关键。结构设计优化必须通过反复推敲，结合力学等多门学科知识一起分析，确保数据与规范要求相一致，最终确定最佳方案。尽管目前设计单位众多，而且多种设计软件可供选择，但是设计思想普遍保守，很难在结构设计中实现技术与经济并行的目标，为了有效控制造价，促进企业、国家发展，优化结构设计势在必行。

1 结构设计及其优化的含义

在结构设计中，主要从力学角度分析尺寸、刚度等是否符合构造需求，通过这种设计得到的方案可以通过变量或者参数的形式展现出来，变量或者参数最终构成目标函数。通过传统的结构设计得到的是可行性设计，基本是基于安全角度确定的，但是并不是最优设计方案。下面根据两个工程实例的数据分析，对房屋结构设计中设计优化方法的探讨。结构设计优化可以实现量的优劣取舍，得到最佳方案。

2 建筑结构设计优化实例分析

2.1 实例一

广东某化工有限公司-商业广场，工程等级二级（地下2层，地上9层，多塔框剪，65162.8O）。该工程地下室超长，长边约280米，短边约30米，成功用不设变形缝设计解决了混凝土开裂和防水难题，但是工程经济性及使用空间的合理性却遭受考验。地下室楼盖选型对于控制工程造价有直接影响。通常楼盖形式可以分为梁板式与无梁楼盖两大类，其中梁板式又分为双向和单向，无梁楼盖分为实习和空心。下面按柱距8.9mx8.9m的各种楼盖结构形式对比计算分析，并作出如下材料用量分析表：

最终本工程负一层楼盖采用无梁楼盖，主要考虑到地下室净高及减少基坑开挖深度；地下室顶板楼盖采用主次梁（单向板）楼盖，主要考虑到造价最低及本工程地下室顶板作为上部结构嵌固端，同时需满足规范相关规定要求应采用梁板式结构。

总结： 1、从以上《材料用量分析表》中可以看出梁板式楼盖中主次梁（单向板）结构形式的单位面积造价最低，井字梁结构形式的单位面积造价最高，十字梁结构形式单位面积造价介于两者之间； 2、主次梁楼盖与无梁楼盖单位面积用钢筋量比较接近，但无梁楼盖混凝土用量较多，使其单位面积造价高于主次梁楼盖； 3、主次梁结构形式由于其中一个方向框架梁梁高与次梁同高，设备管道可以垂直于次梁布置，这样可以提高地下室净高，无梁楼盖考虑150mm操作空间其地下室净高比主次梁结构提高了100～200mm，但比主次梁结构增加了近三分之一的重量，增加基础造价； 4、无梁楼盖施工简洁、施工速度较快，模板简单，能够有效满足工期要求，视觉美观，无梁楼盖由于自重较重，故对地下室抗浮有利； 5、当地下室层数较多（3层以上）地质条件较好时，结构抗浮要求较高，可采用无梁楼盖结构形式增加结构自重有效的抵抗水浮力以降低抗浮设计难度；当地下室层高受限制时采用无梁楼盖或空心楼盖结构形式可较好的达到地下室净高要求； 6、当地下室层数较少（2层）抗浮水位较低时建议采用主次梁结构形式，以减轻结构重量； 7、对于地下室顶板，当做为上部结构的嵌固端时，由《建筑抗震设计规范》6.1.14条：“地下室在地上结构相关范围的顶板应采用现浇梁板式结构，相关范围以外的地下室顶板宜采用现浇梁板结构”，故根据规范要求，建议采用主次梁（单向板）结构或梁板加腋大板结构。

以上结构经济性对比仅限于平面结构构件的对比，实际上整个地下室工程的经济性应充分考虑地下室层高、埋深、基坑的开挖、支护结构等各项工程的综合造价。

2.2 实例二

广东省韶关市某镇政府办公楼工程，建筑层数为四层，砌体结构，并选用条形基础，工程钢筋用量如下表如示：

通过上表可以发现该工程总含钢量为30.977kg/m2，该值偏高，因此可以通过结构设计优化在此环节控制造价。

工程中采用了钢筋混凝土构造柱，构造柱能满足抗震与抗剪要求，但不用承受竖向荷载。构造柱大多设置于横纵墙交线，也设置在墙转角等处，为了使房屋稳定性得到提升，构造柱的尺寸较大。本工程位于六度区，构造柱按照规定应当设置在电梯间四角、外墙四角和对应转角处、隔12m或单元横墙与外纵墙交接处、楼梯间对应的另一侧内横墙与外纵墙交接处。本工程在规范中要求设置构造柱以外的多个部位设置了构造柱，为了控制造价可以将规范要求外的构造柱去除。根据抗震规范，砌体结构建筑的构造柱截面不得小于180mm×240mm。箍筋间距不超过250mm，并加大四角处布置构造柱的截面。在本工程采用的构造柱规格为360mm×240mm、240×480mm等，钢筋直径均为14mm。将钢筋直径改为12mm，并统一构造柱规格为240mm×240mm，可以使钢筋用量得到控制。

该工程使用现浇板，在设计初期，多由经验公式确定板厚，该板厚只作为暂定值，为了精确确定板厚，还需进行裂缝和挠度验算，并逐渐降低板厚后反复验算，如果板厚降低后仍满足设计要求，则优化是可行的。本工程中4.1米开间房间板厚设计是130毫米，经过挠度图分析和裂缝分析，板厚设计偏保守，经两次降低板厚与验算，最终确定110毫米符合设计需求。本工程采用的现浇梁也有优化空间，内廊处的梁是多余的，而且主梁为跨度取值的1/10。该比例相对保守，根据本工程开间不大，结合考虑梁的经济配筋率主梁梁高取跨度1/12～1/15也可以满足设计要求。降低部分圈梁高度，原圈梁高度为了配合建筑门窗统一为600mm，现降低东西向无窗及小窗墙体圈梁梁高。

基础造价在工程总造价中比重大，埋深、尺寸等都直接影响总造价。由于基础的影响因素众多，所以基础设计优化的途径更多，潜力更大。在以往的结构设计优化尝试中，盲目增加基础宽度及埋深都未取得良好效果，有时还适得其反。一般层数较低的工程条形基础、灰土基础与砖基础应用都比较广泛，本工程选择钢筋混凝土基础，基础埋深1.70米。通过分析土层较为理想，基础高度具有优化空间。基础埋深偏高，而且施工现场地质情况良好，基础埋深设置为1.40米即可满足设计需要，后经地基土浅层平板载荷试验，承载力满足要求。

经过上述优化，钢筋使用量降低约21t。仅从钢筋角度就已减少大量成本，因此可以说明建筑结构设计优化在控制造价方面有突出作用。总结上述优化措施如下：合理确定构造尺寸与钢筋直径；简化梁板柱受力体系，省去不必要的梁设置；降低圈梁高度；合理选择基础形式及埋深。

3 结构设计优化的注意事项

结构设计优化确实可以有效控制工程造价，提高企业经济效益，但是具体实施过程中却必须克服一些困难：施工单位为了加快工程进度，没有严格按照设计进行，从而无法实现设计效果；部分设计人员工作经验不够丰富，从而在设计时顾此失彼；将过多的精力与时间放在建筑局部的设计上，缺乏大局观，对整体造价考虑过少；一味追求控制工程造价，使建筑物的安全性和耐久性得不到保证，实际施工过程中偷工减料现象严重。以上几点都是影响建筑结构设计优化实际效果的重要因素，在设计过程中必须杜绝这些现象的发生。

4 小结

人类的资源不断被消耗，如何提高资源利用率是每位建筑结构设计人员必须面对的问题。建筑结构设计优化是控制工程造价的重要手段，但是也不能在追求效率的同时忽略质量，既省材又实用是进行结构设计优化时遵循的重要原则。

【参考文献】

[1]张阅荣.房屋结构设计中的建筑结构设计优化[J].建筑工程技术与设计，2014，（20）：734-734.