工程結構優化設計基礎大全11篇

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一?房屋結構設計優化的內容及其意義

當前，我國經濟快速發展，人們對居住條件及生活環境要求越來越高，而對建筑房屋進行優化設計，使其結構與美觀相互協調、同時適用、安全、經濟以及便利是改善人們居環境方面重要手段。房屋結構設計優化理念注重以實際為準則，根據工程建設的基本狀況，以計劃成本為控制為中心來進行的結構優化設計，其內容就是利用對建筑基礎的結構、屋蓋系統的結構方案以及圍護系統結構方案等環節，建立起一種關于結構優化設計的模型，通過對各種不同的影響變量參數中的若干關鍵參數的科學的計算，確立最終的建筑工程結構設計的優化結果方案。房屋建筑結構優化設計意義重大，一是大大提高建筑結構經濟性，房屋建筑進行結構設計優化可節省材料，有利用抗震，減少內外表面裝修，提高了其受力性能，增強了建筑的經濟性能。二是結構優化設計大大降低了建筑工程的總成本造價。節約用地，大量資料表明，，房屋建筑進行結構設計優化能夠有效降低工程成本造價25%左右，同時結構優化設計技術能夠對施工材料的性能利用更加合理化，能夠讓建筑工程結構內部各個不同單元之間更加充分互協調，提升了建筑工程結構設計的經濟性。

二?房屋結構優化設計技術應用

房屋建筑結構設計優化技術實踐應用是當前建筑業非常關注的一個課題，目的在通過結構優化設計技術逐步改善房屋建筑的使用性能的基礎上，提高經濟性，大力降低工程成本造價。在某個建設工程項目中，結構優化設計技術主要應用于項目規程的整體設計、前期設計以及抗震設計等各個分部階段環節，應用廣泛，其發揮的效能也十分明顯。

（1）房屋建筑結構在設計中應遵循結構設計規范

房屋建筑結構優化設計的目的是追求適用、安全、經濟、美觀以及便利施工，因此，房屋建筑結構優化設計不但要求結構設計工程師有豐富的設計經驗，也同時也要要對房屋建筑結構規范的條文有較為詳細的了解，在房屋建筑結構設計規范的基礎上，能夠把自身的結構設計方案科學的融入到整個項目工程中。對于一些大面廣的工程中，某些條文規定不可避免的的偏于保守，同時，也有些條文對一些特殊、復雜工程的設計工程條文安全性不足。因此，房屋建筑結構工程師在優化設計中，應該充分利用扎實專業知識與豐富的經驗，對上述問題做出科學與正確的判斷，從而能夠把握設計，使設計成果逐步優化，不斷創新。

（2）房屋結構工程師要積極主動參前期工程規劃

房屋建筑結構工程師要積極主動參前期工程規劃是實施結構優化技術的重點內容。因為，在在實際施工中，房屋建筑結構工程建筑師難以把握對結構體系的受力的正確分析，相關房屋建筑結構工程師要積極主動地參與前期方案設計，幫助建筑師構思與逐步創新，使整個建筑的優化功能能夠全部體現出來。

（3）涉及到房屋結構設計的各個專業應該相互協調與合作

房屋建筑結構優化是一個復雜性的系統工程，涉及到的專業也很廣，各個專業必須相互協調與配合。依據建筑學發展角度出發，現代建筑是綜合性產品，包括建筑、結構以及設備等要素。因此，房屋建筑工程在工程實施中，應該大力加強分工與合作，將各個構成要素進行充分有機結合，為打造出完美的作品夯實基礎。在房屋建筑工程項目設計中，最重要的環節是建筑設計與結構設計，只有將這兩個環節充分結合，房屋建筑工程的實用美觀大方效果才能充分體現，同時，房屋的建造結構受力更趨向合理性，大大降低了成本，簡化了施工。但在建筑設計中，一些許建筑設計人員不遵循建筑的基本力學規律，過于注重設計方案創作的新奇性，導致這房屋建筑結構出現一些后遺癥，因此，房屋建筑結構優化必須通過強化各個專業的合作與協調，才能夠實現結構合理，成本降低。

（4）房屋結構優化設計要將概念設計結合細部結構進行設計優化

概念設計即是利用設計概念并以其為主線貫穿全部設計過程的設計方法，是通過設計概念將設計者繁復的感性和瞬間思維上升到統一的理性思維從而完成整個設計。但是概念設計應用于沒有具體數值量化的狀況時，計算式不可避免與實際出現較大的差異，譬如在地震設防烈度就沒與不確定性，計算式與實際差別較大，因此，房屋建筑結構在優化設計中，通過采用概念設計的方法，將數值作為輔助和參考的依據，同時設計人員在設計過程中還需靈活運用結構設計優化的方法。在整個設計過程中貫穿一種抗震設防的思想且以概念設計作為重點指導設計。同時在設計的過程中，注重優化細部的結構設計，譬如現澆板中的異形板拐角處易出現裂縫，可劃分為矩形板。在選擇鋼筋型號時，充分考慮其極限抗拉力等。

（5）房屋結構優化設計要充分考慮下部地基基礎結構設計

地基基礎是建筑結構設計的重要組成部分之一，地基基礎雖然埋置在地下，屬于隱蔽工程，但其重要性不言而喻，建筑物的高度與安全性等受地基基礎影響很大。因此，房屋建筑結構中的地基基礎的結構設計優化必須選擇合適的方案，譬如屬于樁基礎，就要依據現場地質條件，綜合其他現場場地的條件因素進行基礎選型及埋深等設計，選擇樁基類型，最大程度的節省造價。

三?結語

總之，房屋結構設計中優化技術是復雜的系統工程，不但需要相關結構設計工程師正確地使用結構分析軟件、選擇最佳結構體系，同時，要大力挖掘基礎設計內在潛力，充分運用科學的方法與手段，大力降低工程建設造價，讓房屋結構優化貫穿整個設計過程，從而體現出結構優化的價值，讓房屋結構設計功能不但更加適人們居住與生活，同時，大力提高其安全度與抗震性能。

參考文獻：

[1]張紅友.優化結構設計減少建筑投資成本[J].?陜西建筑，2008(11).

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DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.13.119

0 引言

建筑是一種藝術， 人們都是帶著審美的眼光去審查一棟建筑，建筑是從美觀的外形和結構功能設計來審判的，適用、經濟、便于施工是建筑結構設計的追求，建筑的藝術性是追求建筑的美觀、力度的美學、外型的總體效果、建筑的結構設計和建筑的藝術性完美的融合，只有這樣才能把建筑有限的空間無限擴大、有限的資源的最大發揮，實現建筑整體性的完美，建筑結構設計優化方法要遵循滿足建筑外型美觀要求、滿足建筑結構安全、合理的原則。

1 建筑結構優化設計的現實意義

隨著社會經濟的迅速發展，城市里突現的是鋼筋水泥的建筑，住宅越來越多，層數越來越高，成本明顯增高，要設法降低單位面積的成本，整體降低總成本，因此建筑結構的優化設計可以降低成本的總造價；由于建筑的層數增加，樓體結構自重相應增加，接踵而來的是水衛和點氣管線增長等一系列問題，因此建筑結構的優化可以提高建筑結構的經濟性。經過考證，結構優化之后要比傳統結構的工程造價低7%-35%左右，達到經濟高效的效果，又可實現建筑物美觀實用，在實際運用中，最合理的利用材料的性能，可以使建筑內部各單元得到最好的利用，在建筑整體造價和建設施工工期方面也有較為良好的貢獻，建筑結構優化的最終目的是實現適用、經濟和安全，實現經濟效益的最大化。

2 建筑結構優化設計應用的理論

建筑結構優化應用有兩方面的作用，一是在建筑分部結構的優化設計方面的作用，二是在房屋工程結構總體的優化設計方面的作用，兩者都有細分，例如結構總體的優化設計囊括了總體方案優化設計和細部結構方案的優化設計等，從另一方面講包含了形體結構選型、布置、機構體的受力分析、建筑整體造價分析等項目。在建筑結構優化的實際應用中，可以根據使用簡單、應用方便的原則，對建筑工程進行結構優化設計，在建筑結構設計過程中，要滿足設計意圖、平面布置規則、整體形態對稱原則、質量中心和剛度中心整體布局原則、建筑物水平荷載作用等一系列問題[1]，做到在理論上為實踐提供前提、提供理論基礎，做好準備工作。

3 建筑結構優化設計應用的方法簡介

3.1 做好建筑結構優化設計的函數模型

建筑結構優化要選擇主要參數，建立數學模型（函數模型），根據科學合理的方法，得出最優的答案，從而得出最合理的優化方案，結合建筑結構的規律和自身的實踐經驗，對各方面的影響因素進行全面的綜合考慮，找出行之有效的結構方案設計，模型的建立有兩個步驟[2]，一是選擇變量，即選擇影響較大的參數，減少計算編程的工作量；二是確定目標函數，例如房屋結構，確定房屋結構的約束條件，在既定的條件下得出最優解，這種設計方法具有一定的準確性，在實際的房屋建造中具有重要的參考作用。

3.2 做好建筑結構優化的方案設計

建筑結構優化方案設計是做好優化的前提，做好方案設計，設計多個變量、多個條件，編制相應的運算程序，得到最優結果。

4 建筑結構優化設計的實際應用

4.1 建筑場地的合理選擇

建筑的拔地而起需要選擇合理的建筑場地，在進行建筑場地選擇中要考慮很多因素，如防護距離、建筑退界、日照間距、抗震、地段選址等因素[3]，必要時選擇合理相應的抗震措施。

4.2 建筑主體結構的選擇

建筑結構的設計要遵循規則結構效應的原則，有利于降低造價，通過對墻、柱、梁的調節使不規則的建筑體型產生規則結構效應，例如剪力墻結構布置。需要進行優化設計的主要部分有很多，如基礎、墻、柱、梁、樓板、屋面板等，這些是建筑的主要構成部分，在基礎的優化設計中，選擇合理的基礎形式、控制好基礎的截面尺寸，相對減少基礎結構的造價費用，柱子的截面對工程的造價也有直接的影響；對于柱網布局和柱子截面的優化設計，確定好柱子的行間距，而柱網布局確定著竹子的行間距，因此柱網布局對工程的造價起著至關重要的作用；梁的設計，為了提高材料的利用率，在實際應用中一般都采用平面架來替代矩形梁，減輕了自身重量，經濟又實用；鋼筋的優化設計，在建筑結構的優化設計中，要對鋼筋的型號進行選擇，施工過程中鋼筋的型號不同，會造成施工的結果不同，如鋼管砼結構和鋼結構在自重和承載力相近時，前者比后者節約將近45%的鋼材，大大節約了工程成本。

4.3 初期方案階段和抗震設計的應用

對于建筑結構來說，前期方案的確定直接影響到最終建筑的成本投資，而目前的市場情況是前期的方案設計部分不參與結構優化設計，而且在前期的建筑方案設計中，很多沒有考慮到主體結構的分析或者對于部分分析不到位、不精準，作為一個合格的結構設計人，應該依靠自身所基本的結構概念去布置結構方案，結合建筑空間結構和結構模型概念以及函數模型來進行方案設計。因為運用概念設計方法，在初期方案的設計中，可以根據簡單的函數模型，估算出構件的截面面積[4]。建筑結構優化還要考慮最為重要的一點，就是建筑的抗震性，在建筑抗震設計過程中，大多數建筑結構的優化設計主要按照概念設計進行工作，而軟件計算并不是建筑結構優化的主要依據，建筑的使用過程中，抗震效果是居民考慮的一個重要問題，尤其在地震多發地帶，由此看來，建筑物的耐久性、安全性、功能性是建筑結構設計的三個重點內容，在節約成本以及達到規定年限的前提下，滿足抗震功能是重中之重。

5 總結

長期以來，建筑行業發展迅速尤其是近年來，從建筑資源的整合、低投入、高產出、體現建筑自身整體工藝性、美觀性、合理性綜合考慮，我們應充分做好建筑結構設計應用工作，結合實際抓到實現自我提升，從優化技術中進行技術分析，使各種建筑材料得到充分利用，節省工程造價，達到建筑工程設計標準，，滿足消費者的需求，采用科學創新的方法，研制出更多的優化設計方案，通過科學的方法使建筑結構更適合市場的可持續發展，響應國家綠色環保的政策。

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中圖分類號：TU3 文獻標識碼： A

隨著現代城市進程的不斷加快，城市建筑的功能化和多元化要求也越來越高，人們在追求建筑安全和質量可靠的基礎上，更加開始注重建筑的舒適度、環保性等。輕質高新材料和新的設計理論的快速發展，和現代信息技術的不斷應用，為建筑結構的改善提供了更強大的技術基礎。建筑結構的優化設計，在現代提倡的可持續發展和節能環保大環境背景下會越來越有必要。因此，加強有關建筑結構優化設計的探討，對于提高建筑結構的良好性能和建筑的整體質量具有非常重要的理論和現實意義。

1、建筑結構優化設計及其原則

1.1 建筑結構優化設計。

建筑結構優化設計是指在符合各種特定要求和某些規范條件下，能夠使結構的剛度、造價、重量等目標達到最優的設計方法。優化設計就是在可用的設計方案和措施中選擇最為有效和高質的方法。

結構優化設計的過程一般是條件-分析-搜索-最優設計，其始終綜合性的結構分析過程。搜索是指對結構設計方案進行修改和優化的過程，它首先會分析設計方案能否符合各種目標條件，如果不能，則對其進行規則性的修改，從而逐漸接近預期目標。結構優化設計的實質目的就是在所有的可選設計方案和措施中選擇造價最低、材料最省、最接近預期目標的方案，這樣結構設計實際就是在“比較和分析”基礎上逐步演變成“優選和綜合”過程，這對于工程結構質量和經濟效益的提高具有重要作用。

1.2 建筑結構優化設計的原則

1.2.1安全性。安全性是建筑結構設計中的首要考慮因素。建筑結構優化設計中，要在設計階段、決策階段綜合考慮建筑的安全性，在保證建筑結構安全可靠的基礎上開展的優化。

1.2.2 經濟性。建筑結構優化設計的經濟性原則是指能夠在新的市場經濟條件下完善資源配置，就是在建筑結構的優化設計過程中，能夠對各類資源材料實現最高的利用率和最大程度的節約，從而最大化的節省成本。此外，對于部分稀缺材料的應用，在建筑結構優化設計中要盡可能減少材料使用量，減少建材使用成本。

1.2.3 功能性。建筑的主要作用就是為人類提供重要的生存環境，因此建筑結構優化設計的最終目標也是盡最大可能滿足人們的各種建筑需求。現代結構設計中除了要加強傳統的使用功能，還要不斷提高建筑的協調性、智能化、美觀性和舒適性等，以此不斷使最大限度的發揮建筑的功能性需求。

1.2.4環保性。環保性原則是現代建筑設計中必須重視的一條重要原則。建筑結構優化設計應當通過整體布局環保、建筑材料環保等多方面來實現建筑的可持續發展。在建筑的整體布局中，要在加強建筑結構主體環保的基礎上，不斷改善建筑過程中廢舊材料的利用率和提高建筑未來使用中對環境的適應。在選擇建筑材料時，應當在確保建筑安全性和功能性的基礎上，加強對環保型材料的選取。

2、建筑結構優化設計的具體措施

2.1結構基礎形式的優化。由于基礎費用占項目土建總造價比例較大，且其安全度通常需高于上部結構，因此基礎優化從兩方面闡述：（1）重視對地質報告的研究分析，了解各種地基的變形特性，結合上部結構的不同條件，通過整體的分析計算，選擇適宜的基礎方案；（2）重視概念設計，根據基本理論知識以及豐富的實踐經驗，分析、預見可能出現的各種問題，找最合理的處理方案。

2.2結構上部形式的優化。建筑類型和功能要求的不同決定了建筑結構形式的不同，這里主要從三方面闡述：（1）平面布置在基本滿足建筑師設計意圖的基礎上，平應盡量規則、均勻、對稱，盡量縮小質量中心和剛度中心的差異；（2）豎向剛度在滿足建筑功能要求的前提下，宜漸變，避免突變；（3）傳力路徑力求簡潔清晰，以最直接的方式將樓面上的荷載傳遞到主梁上，再由柱，剪力墻等傳遞到基礎、地基。

2.3 多程序計算的比較。不同程序不同的程序，由于技術模型和計算假定的不同，計算結果會有不同。應在設計中仔細的分析和比較多個程序的計算結果。不是簡單的應用程序的計算結果，而是分析、比較、判斷，進而對計算結果進行合理的調整和取用。這不僅需要結構工程師做大量計算工作，更重要的是運用以往工程經驗對計算結果做出合理有效的判斷。計算和分析清晰了，就可以作到心中有數，配筋的時候做到有的放矢，控制關鍵部位的配筋，減小不必要的配筋，不靠盲目加大配筋保證安全，而是靠計算的精準保證結構的安全并實現采用較小的用鋼量的目標，從而達到優化成本目的。

2.4 構件截面和配筋優化。配筋時要注意計算結果的合理取用，遵循“強柱弱梁，強剪弱彎，強節點，強錨固”等重要抗震概念。在滿足計算的情況下禁止隨意放大鋼筋，所選鋼筋既要綜合考慮構件在強度、撓度、裂縫等方面的要求，也要兼顧施工上的方便和可操作性。

2.5 構造措施的優化。在通用的鋼筋混凝土結構中，應當盡可能選用高質量和高標號的混凝土，并利用高強度鋼筋，以在提高結構強度的基礎上減少鋼筋用量，減小構件截面，降低自重，減小地震力，節省成本；采用輕質、節能、環保的內隔墻材料，可以降低自重，減小地震力，從而減少整個結構的鋼筋和混凝土用量。在大高層建筑中，應當盡量選用預應力混凝土和型鋼混凝土作為大跨度結構、受力銜接點和結構轉換層的基本材料，以最大限度提高建筑的安全性和功能性。另外，要加強對抗震性、抗土性、抗水性材料的選擇，以減少突發性洪水、地震等自然災害的危害。

3、結論

建筑結構的優化設計，是滿足建筑的多元化和多功能性要求的重要手段。因此，結構設計人員應當在堅持安全性、經濟性、功能性、環保性原則的基礎上，不斷拓展建筑結構優化措施和技術，提高結構優化技術的應用水平和能力，以有效提升建筑結構的整體性能和質量。

參考文獻：

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所謂結構優化設計，是指工程結構在滿足約束條件下按預定目標求出最優方案的設計方法。結構設計是創造結構方案的過程，傳統的結構設計是設計者按設計要求和設計者的實踐經驗，參考類似工程，通過判斷創造結構方案，然后進行力學分析或按規范要求作安全校核，再修改設計。這一過程繁復，且往往只能創造出可行方案，而找不到一條安全、經濟、合理的最優設計方案。傳統的建筑結構設計方法，是先根據經驗通過判斷給出或假定一個設計方案和做法，用工程力學方法進行結構分析，以檢驗是否滿足規范規定的強度、剛度、穩定、尺寸等方面的要求，如符合要求的即為可用方案，或者經過對少數幾個方案和方法進行比較而得出可用方案。而結構優化設計是在很多個，甚至無限多個可用方案和做法中找出最優的方案，即材料最省、造價最低、或某些指標最佳的方案和做法。這樣的工程結構設計便由“分析與校核”發展為“綜合與優選”。這對提高工程結構的經濟效益和功能方面具有重大的實際意義。“綜合與優選”實質上也就是建筑結構的優化設計。

1 建筑結構優化設計的必要性

為了達到結構優化設計的目的，工程設計人員必須在保證結構安全的前提下，通過對建筑結構的理性分析，采用合理的優化設計理念和方法進行優化設計，使得能有效地控制工程造價，滿足投資方的經濟要求。通過以往的優化設計經驗來看，相比于傳統的設計方法，優化設計通常可以達到降低工程造價5％～30％的目的。

但是在實際的工程設計中，很多因素都制約了優化設計的開展和實施。比如，工程的設計進度的要求，使得設計人員根本無暇顧及到結構的優化設計要求，再者，由于知識水平的限制，傻瓜化的設計軟件使得年輕設計人員對優化設計的理解缺乏，更談不上有效合理的優化設計，大部分設計人員在所謂優化設計中總著眼于局部部位而忽略了結構總體方案的設計，沒有從總體布局上考慮造價的控制。為此，為了降低工程造價的成本，提高設計人員在工程建設過程中對優化設計的設計把握非常必要，只有加強技術和經濟效益的有效結合，通過合理的優化設計方案，達到降低工程造價的目的，創造更大的社會效益。

2 建筑結構優化設計的內容

通常，結構設計的工作主要是根據建筑設計的要求，采用合理的設計理念和方法，來確定適當的結構形式，布置以及具體的構件設計尺寸。對常見的鋼筋混凝土住宅結構體系進行優化時，可以從結構整體的布局以及具體構件兩方面的因素來加以考慮。影響結構整體的布局的因素包括了建筑物的體型特征、柱網尺寸、層高以及抗側力構件的位置等。具體構件因素主要包括結構的布置、構件的截面，混凝土和鋼筋強度等級及配筋構造等。綜合考慮兩方方面的因素影響是必須的，為了實現這一目標，對工程師提出了更高的要求，即需要結構工程師對結構和構件受力特征有充分的把握，能根據構件設計的合理經驗和規范的深刻理解，采用合理優化方法進行有效設計。

3 建筑結構優化設計措施

3.1選擇合理的結構方案

結構設計方案的優劣決定了結構設計的成敗。對于同一個建筑設計方案，結構設計方案往往不是唯一的。不同的結構方案會使工程造價和工程質量產生很大的差別，所以選擇合理的結構方案便顯得尤為重要。在結構方案的選擇上，應遵循以下的一些基本原則：要用整體的概念在特定的建筑空間中來完成結構總體方案的構思，處理好構件與結構、結構與結構的關系，充分利用和發揮整體結構和構件的最佳受力狀態，使結構具備足夠的承載力，剛度和良好的延性，盡可能使結構的受力與傳力途徑簡單、直接、明確，保持整個結構安全可靠度的協調一致性，使結構平面布置的抗側力剛度中心與建筑物的外力作用中心或質量重心盡量接近或重合，以避免或減小外力作用下結構的扭轉效應，因為抵抗結構的扭轉所需增加的材料用量是很大的，可以說結構平面布置的不規則既不經濟又不安全，積極主動的參與建筑設計的方案階段，加強與建筑師的溝通與協調。

3.2進行正確的結構計算

一體化計算機結構設計程序的不斷完善和全面應用，使結構工程師從繁重復雜的結構計算中解脫出來。工程師可以在概念、經驗和估算的基礎上借助計算機進行可靠的分析計算，經過多次計算比較和調整，使結構設計更加合理和經濟。在利用計算機結構設計程序進行結構計算時，要注意以下問題：不能盲目的依賴計算機-對于輸入的幾何圖形，構件尺寸、荷載數據等應認真核對、力求準確無誤，對計算參數的選取要正確合理，注意實際結構與計算模型的差異。

3.3柱網選擇

柱網的選擇對于結構設計是一個重要的內容，其選擇是否恰當，對造價有顯著的影響。

眾所周知，結構可以劃分為豎向承重結構體系(墻、柱基礎)和水平承重結構體系(板、梁)兩部分，這兩個并存的結構體系存在以下基本的矛盾，即：豎向結構體系愈省(例如柱網加大，柱子數量減少)則水平結構體系愈貴，因為這時梁的跨度將加大，梁的截面尺寸要增加。反之豎向結構體系的用量增加(例如減小柱網，增加柱子的數量)則水平結構體系因跨度的減小而愈省。因而客觀上存在一個最合理柱距，使得豎向結構體系與水平結構體系的總造價最低，在滿足生產工藝和建筑功能的前提下，柱網設計應力求做到上述這一點。

3.4基礎的優化設計

根據筆者的調查分析，目前結構的優化設計的很重要的一個方面是基礎的優化設計。

當地基較好基礎的埋深不很大時，宜選擇淺基礎，當地基的持力層很深時，宜選擇樁基礎。當地基的持力層介入二者之間時，即不很淺也不很深時，則選擇淺基礎還是樁基礎時則要進行分析比較，分別作出初步設計，分別作出概、預算以后才能確定哪一種基礎型式最為經濟。

對于單樁承載能力要求較大的結構，特別是框架結構的樁基礎，則選擇一樁一樁的人工挖孔樁往往是最經濟的。人工挖孔樁的特點是承載能力大，特別是質量可靠，此外人工挖孔樁因為是一樁一樁，可以節省承臺的費用。

4 結構優化設計的展望

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Abstract: in the building structure design, the choice of different design, and choose different kinds of building materials of engineering cost will be produced great influence, so the structure optimization design scheme is particularly important, this paper mainly expounds the structure optimization design method, as well as to the need for the main part of the optimization design was analyzed, and puts forward the structure optimization design of practical significance.

Key words: the structure optimization design method, on the basis of the optimization design, the practical significance

中圖分類號：TU318文獻標識碼：A文章編號：

近年來，由于土地價格不斷上漲，使得開發商的建筑總成本在不斷地增加，這就給開發商的成本控制帶來了極大壓力；同時，由于人們對生活環境和居住條件的要求在不斷提高，所以對建筑產品的品質要求也就在不斷提高，開發商只有不斷尋求新的手段才能滿足消費者的需求，因此降低工程造價就成為開發商首要的追求目標了，要實現這個目標就需要利用結構設計的優化設計方法，來提高有限空間的利用率，使有限的資源發揮更大的作用。

結構優化設計的方法

一個優秀的建筑不僅僅是美觀與優化結構設計的緊密配合，更是滿足了人們對房屋結構安全性能、經濟性和設計合理的要求，所謂的結構優化設計方案，就是結合原來的設計方案、新的工藝和設備、新材料的投入，對局部的設計進行改變，不僅要滿足技術和功能可行性的要求，還要節約材料使工程造價明顯降低。

建立結構優化設計的模型

結構優化設計是在各種變量參數中選擇主要的參數，并為其建立函數模型，運用合理科學的方法計算出最優解。建立優化結構模型的步驟大致如下：一是，選擇合理的設計變量。因為各種設計變量的選擇對設計要求的影響是比較的大，在設計的過程中可將所涉及到的變量按照其自身重要性進行區分，將一些變化不大的參數定為預定參數，通過此項工作能減少計算和編程的工作量。二是，確定目標函數。房屋結構可靠度優化設計的約束條件，包括了應力約束、裂縫寬度約束、結構強度約束、尺寸約束、從正常時的極限狀態下彈性約束到終極狀態的彈塑性約束、從可靠指標約束到確定性約束條件等。①在設計的過程中，要保證各種約束條件必須符合要求，找到滿足條件的最優解，并確定約束條件。

選擇結構優化計算方案

結構優化設計是個非線性的優化問題，在設計中涉及到多個變量和多個約束條件，設定好計算方案，通常是將約束條件變為無約束條件來計算。拉式乘子法、符合刑法和POWELL等方法是常用的計算方法，在完成了相應的計算方案后再進行編程運算即可完成最終的優化設計結果。

需要進行優化設計的主要部分

在建筑結構優化設計中，不同方案和不同建筑材料的選擇對工程的造價都會造成不同影響，尤其是在基礎類型的選用、開間的確定、層高與層數的確定以及結構形式選擇等方面都有著重大關系。據統計，在滿足同樣功能的條件下，經濟合理的優化設計可以使工程的造價降低10%左右。基礎、柱、墻體、樓板、梁、屋面板等是建筑結構的主要組成部分，這幾個部分在工程造價中所占的比例也不相同，結構優化設計時對工程的造價影響也不相同，所以在優化方案設計過程中的側重點也不盡相同。

對基礎結構的優化設計

基礎結構在整個建筑物工期的1/4左右，并且總造價也占到總造價的10%-20%，所以基礎工程結構的重要性事顯而易見的。而且基礎結構工程的造價還與地質條件是密切相關，設計時對地質勘探報告要求也是極高，要選擇合理的基礎形式、控制好基礎的截面尺寸和埋深，能相對減少基礎結構在總工程造價中的費用。

柱網布局和柱子截面的優化設計

柱網布局確定著柱子的行距和間距（同行相鄰的兩個柱子的間的距離），柱網的尺寸一般來說在6到12米之間，如果柱距小那么其傳力路線就短，上部結構的材料就能節省，但是這可能使基礎費用高，所以說柱網布局是否合理，對工程的造價有很大的影響，另外，柱子的截面形狀和大小對工程造價也有著直接的影響，所以合適的柱網布局、柱子截面的形狀及大小的選擇對工程造價的影響是很明顯的。

梁的優化設計

在結構設計時通常采用矩形截面梁當做受彎梁，但是這種情況下材料的利用率較低。因為，首先，在靠近中和軸附近的材料的應力較低，再者，梁彎矩會沿梁長變化而變化。由于截面梁大部分區段的應力較低，材料都不能得到很好的利用，要想提高材料的利用率，在設計時可采用平面桁架來代替矩形梁，此時平面桁架就相當于掏空梁，掏去了梁中多余的材料，減輕了其自身的重量，這樣既經濟又實用，而且，還可以用它來發展成為空架網架，從而大幅度地提高材料的利用率。

鋼筋和砼的優化設計

在滿足了結構設計的需求外，要盡量減少砼的標號和鋼筋的型號的種類，力求方便施工。如果在施工過程中采用的梁、板和柱型號不同，就會使施工的難度增加，這就大大浪費了材料，加大了施工成本。鋼管砼結構就是將砼填入到薄壁的圓形鋼管中形成一種新型結構，把這兩種材料結合起來后，在內填砼的作用下使得鋼管壁的穩定性增強，從而具有更好的抗壓強度和抗變形的能力。鋼管砼結構和鋼結構在自重和承載力相同或相近時，鋼管砼結構要比鋼結構節約將近50%的鋼材，這就大大地節約了工程成本；同時與普通的砼結構相比，在保持鋼材的用量相近和承載力相同的條件下，構件的截面面積也將減少50%，同時，材料用量和構件本身的重量也將減少50%。

結構設計優化的現實意義

1、降低工程總造價

在進行結構優化設計時，高層與多層住宅相比，層數明顯越多，這樣總建筑面積也就增大了，單位建筑面積占用的土地面積就越小，從而節約了用地成本，但建筑層數的增多，建筑物的總高度也會加大，這就需要增大樓與樓之間的間距，這時所占土地量的節約就與建筑層數增加不成比例了，因此合理計算單位占地面積在降低總成本中顯得更為重要。另外，在高層中一棟樓只有一個屋蓋，這并不會因為層數的增加而改變，所以它的成本會有比較明顯的下降。對于基礎部分來說，他是各層共同擁有，并且隨著層數的增加，傳給基礎部分的荷載力也會大大增加，此時我們就需要加大基礎部分，這樣總的算下來單位面積的造價還是有所降低下的。

2、提高建筑物結構性能的經濟性

由于建筑物層數的增加，使得墻體面積和柱體積總面積有所增加，結構的自重會有所增加，這樣基礎部分和柱的承載力也會相應地增加，水、電、暖的管線就會加長；相反如果降低層數，就可以節省材料，提高抗震能力，同時由于建筑的總高度有所減小，兩建筑之間的日照距離也會減小，這樣就間接地節約了用地。在建筑面積相同，建筑物采用不同形狀的平面時，它們外墻的周長也不相同，這樣當選擇圓形或是越接近方形時，外墻周長系數是越小的，從而使得基礎部分、外墻砌體、內外裝修表面都會隨之減少，同時其受力性能也將得到大大的提高，也就增強了建筑的經濟性能。

結束語

綜上所述，建筑物的結構優化設計是事前控制的思想，也是一個系統的工程，與傳統結構設計相比而言，采用結構設計優化方法可以使工程的總造價降低6%-34%。②優化方法中的技術性分析，可以使各種材料的性能得到最合理的利用，協調好建筑物結構內部各個單元的功能，這不僅可使得建筑更加美觀和實用，而且也可以大大節省工程造價，從而達到了建筑工程設計標準，進一步滿足工程的適用、經濟、美觀、安全和便于施工的要求。通過優化設計手段進一步加深對結構優化設計在工程造價控制中的重要性認識，創造合適的條件，確定合理的目標，采用科學的控制方法，各個方面達到最佳結合，降低工程的總造價，這不僅符合現今建筑商對于建筑結構效益的追求，也是市場可持續發展的需求，更是適應綠色環保的要求。

篇（6）

Abstract: through the reinforced concrete frame structure reasonable optimization design, can significantly less steel, concrete dosage, on the one hand, can reduce the project construction cost, on the other hand also can effectively slow building energy consumption and achieve the purpose of intensive construction, so in modern engineering construction, must vigorously promote structural optimization design method. This paper introduces the reinforcement concrete frame structural optimization design methods and steps, the reinforced concrete building structure design optimization empirical analysis.

Keywords: reinforced concrete; Structure design; optimization

中圖分類號： TU318 文獻標識碼： A 文章編號：

鋼筋混凝土框架結構是一種用量最大也是最普通的一種結構形式, 一般設計人員用計算機軟件分析, 很快就能得到分析結果, 如果設計人員掌握了一般的結構優化概念和方法, 設計人員在追求設計速度的同時就可以進一步優化結構方案, 那么通過優化結構設計每年節約的建筑材料是相當可觀的, 而且結構整體性能也大大提高。

一、鋼筋混凝土框架結構優化設計方法及步驟

1、常用的結構優化設計方法概述

結構優化設計大致可以分為三類, 即尺寸優化、性能指標優化和拓撲優化。

( 1) 尺寸優化。

對結構進行優化設計的最簡單和最直接的做法是修改結構單元的尺寸, 亦即在優化設計過程中將結構的尺寸參數作為設計變量, 這種方法稱為結構尺寸優化設計。運用這種方法, 人們可以對結構進行優化, 以達到目標函數最優的目的。但尺寸優化不能改變原結構的形狀和拓撲, 很難對原設計進行較大的修改。

( 2) 性能指標優化。

常用的形狀設計方法將控制結構形狀的某些邊界控制點的幾何信息取為設計變量, 由這些控制點生成結構的邊界, 從而達到改變結構的形狀, 使目標函數最優的目的。性能指標優化既可以改變結構單元的尺寸, 又可以改變結構的形狀。

( 3) 拓撲優化。

結構拓撲優化方法的主要思想是將尋求結構的最優拓撲問題轉化為在給定的設計區域內尋求最優材料的分布問題。它不僅要解決尺寸優化問題, 還要確定結點間桿件的連接方式, 是結構優化領域中更為困難、更具挑戰性的課題。

2、優化設計步驟

通常對鋼筋混凝土框架結構進行優化設計, 可以采用建立數學模型的方法進行優化設計, 即把工程實際問題用數學表達式表示, 包括選定設計變量, 選擇目標函數, 建立約束方程等幾個步驟。

( 1) 給定參數。指預先給定的描述結構特性的參數。在優化過程中,其值是固定的, 因此可以作為常數考慮, 如荷載、柱高、梁長、彈性模量以及材料容重等一般都屬于給定參數。

( 2) 明確設計變量。優化設計中待確定的某些參數, 稱為設計變量。一個結構的設計方案是由若干個量來描述的, 這些量可以是結構構件的截面尺寸, 如面積、慣性矩等幾何參數, 也可以是結構的幾何參數, 如結點坐標、高度、跨度和間距等, 還可以是結構材料的力學或物理特性參數, 如材料的彈性模量等。設計變量是最優化設計數學模型的基本組成部分, 是最優化設計最后所要確定的參數。

( 3) 構造目標函數。利用設計參數描述追求目標( 如重量、造價) 的數學表達式稱為目標函數, 也稱為直函數、評價函數, 它是設計變量的函數, 代表所設計結構的某個最重要的特征或指標。優化設計就是要從許多的可行設計中, 以目標函數為標準, 找出這個函數的極值( 極小值或極大值) , 從而選出最優設計方案。結構的體積、造價、剛度、承載力、自振頻率等都可以根據需要作為優化設計中的目標函數。

( 4) 構建約束條件。優化設計尋求目標函數極值時的某些限制條件, 稱為約束條件。它反映了有關設計規范、計算規程、運輸、安裝、施工、構造等各方面的要求, 有的約束條件還反映了優化設計工作者的設計意圖。

二、鋼筋混凝土建筑結構設計優化實證分析

某工程，兩層地下室，負一層為超市，負二層為車庫（含部分人防區域），上部結構由7 棟高層塔樓組成。施工圖完成后受業主委托，對該工程地下部分進行了結構優化咨詢。該工程優化是針對已完成的施工圖，在不影響建筑使用功能的情況下，以滿足現行的國家以及地區的行業規范、規程，確保建筑物安全和抗震能力為前提，通過對該工程的結構分方案和各類構件的截面、配筋優化，最大限度的降低建筑材料和人工消耗，優化過程以定性分析為主，輔以重點優化部位的定量計算分析，主要優化內容如下。

1、對基礎形式進行優化

原設計基礎形式高層部分采用板式筏板基礎、多層和單獨地下室部分采用柱下獨立基礎，因場地持力層有一定起伏，原設計為滿足基礎持力層的最低標高，將基礎底標高均取- 6.8m 左右，同時在- 5.200 標高設地梁、地下室底板，導致基礎板與地下室底板間高差很小，結構不合理，且土方開挖、回填量增加，基礎與地下室底板間施工難度較大。優化設計將獨立基礎和筏板基礎頂標高均改為- 5.200，使地下室底板頂標高與筏板基礎、獨立基礎頂標高一致，同時對局部基礎不能進入持力層的，采用毛石回填的方法解決，優化后基礎受力更加合理，同時原設計筏板基礎上方地梁和底板完全取消，節約了大量的鋼筋和混凝土，減少了土方工程量，也降低了施工難度。

篇（7）

在房屋建筑結構設計過程中，在滿足建筑設計師設計意圖的基礎下，平面布置應當盡量保持對稱和規則，盡可能的縮小剛度中心和質量中心之間的差異，從而使建筑物在水平荷載下不至于發生太大扭轉。在豎向布置上，在滿足功能的前提下，應盡可能的使豎向承重構件上下保持貫通，可以不使用轉換層則盡量不使用，避免造成結構分析和設計上的困難。豎向剛度盡量不要突變，應采取漸變的方式，避免應水平荷載作用產生嚴重的應力集中現象。

在工程項目和結構設計時，除了考慮設計對象基本的使用功能和可靠性外，還要考慮把設計對象盡可能設計的更完善一些，這就是研究結構設計優化技術的主要目的。它用科學的計算選取更合適本項目滿意的結構方案。

一、房屋建筑結構優化設計模型與方案

房屋建筑工程分部結構優化設計包括以下幾個方面：房屋基礎結構優化設計、房屋屋蓋系統方案優化設計、圍護結構方案設計優化與結構細部設計優化。針對以上幾個方面的優化設計，還包括了選型、布置、造價、受力等內容進行分析。在實際實施中，還應該根據實際情況出發，再結合具體工程實施情況，圍繞房屋建筑綜合經濟效益目標進行結構優化設計。

（一）系統結構優化設計模型。結構設計優化是在各種影響變量中選取主要的參數建立函數模型，運用科學的計算方法得出最好的優化方案。結構優化建立模型大概分為以下幾個步驟：設計變量中主要參數的合理選擇，通常的變量選擇主要選擇對于總體結構影響較大的參數，將所有的參數按各自的影響屬性劃分分類，將影響不大的參數定為預定參數，這樣可以減少函數模型中大量的計算。目標函數一旦確定，使用函數找出符合條件的最優解。最后是約束條件的確定，房屋建筑結構可靠性優化設計的約束條件包括了應力約束、結構強度約束、裂縫寬度約束、尺寸約束。在優化設計中，確定各種約束條件務必符合現行規范要求。

（二）系統結構優化設計方案。在結構設計中應設計多個變量和多個約束條件，設定計算方案時，常常將由約束條件轉換為無約束條件計算，常用的方法包含有符合型法和拉式乘子法。在完成計算方案設定時只需要編制相適應的運算程序即可得到最優化的結果。

二、結構設計中優化技術應用所面臨的幾個問題

將結構優化設計應用到實踐中，是比較廣泛的一項措施，利用結構優化設計方法可以不改變使用性能下達到降低工程造價的目的，結構優化設計應用于整體設計、前期設計、抗震設計、舊房改造等各分部環節都能發揮巨大的效益。在時間應用中，應當注意幾個問題。

（一）前期參與。前期方案的確定將直接影響到整體建筑的總投資，前期方案階段結構設計并不參與是現在所面臨的一個問題，建筑設計師在建筑設計時對于建筑結構的合理性和可行性大多沒有考慮，但建筑設計結果會直接影響結構設計，有些方案有可能造成建筑總投資增加和結構設計的難度提升。假如我們在方案的初期，就選擇合理的結構優化設計，那么我們就可以根據不同的建筑類型，選擇合適的結構形式和合理的設計方案，打好一個良好的基礎。

（二）細部結構設計優化。概念設計運用于沒有具體化數值情況下，需要設計人員在設計過程中靈活運用結構設計優化方法，從而達到最好的效果。在細部結構設計優化中，注意各細節部分的設計，比如現澆板中異形板拐角處易出現裂縫，可把異形板劃分成矩形運用。

（三）地基基礎結構設計。地基基礎結構設計優化首先應選擇合理的方案，如果是樁基礎，則要根據現場的地質條件選擇合適的樁基類型，樁端持力層對灌注樁樁長選擇有很大影響，應多比較選擇合適方案。

三、結構設計優化的作用

（一）降低建筑總造價。在結構優化設計中，建筑層數越多，總建筑面積增大，單位建筑面積占用土地面積將越小，這樣節約了土地占用面積，但隨著建筑層數的提高，總建筑高端提升，樓與樓之間間距也在提升，傳給基礎結構的荷載也會增加，我們則要增大基礎，又會擴大土地占用面積。雖然這樣單位面積會有所降低，但是還是沒有屋蓋效果那么明顯。

（二）提高建筑結構經濟性。隨著建筑層數提高，墻體面積和柱體積也會增加，導致結構自重增加，基礎結構的承載力相應增加，水、電氣管線相應加長，如果層數降低，可節約材料、利于抗震等，當建筑高度減少，兩建筑間的日照距離也相應減少，間接節約了用地。如果建筑面積相同，選擇的不同的平面形狀，建筑外側外墻的周長也會不同，合理的平面模型使外墻周長減少，外墻砌體、基礎設施。內外表面裝修都會減少，與此同時還提高了受力性能，增強建筑經濟性。優化方法的運用，協調了建筑各部分單元，使建筑在更加美觀的同時增強了建筑的可實用性，還減少了總體建筑的工程造價，這符合了現建筑結構的效益需求。

當前，隨著我國經濟快速發展，人們對于居住條件和生活環境要求越來越高，利用結構設計優化技術對建筑房屋進行優化設計，使其結構和美觀相互協調，同時安全、經濟、適用和便利是改善人們居住環境的重要手段。房屋結構設計優化理念注重以實際情況為準則，根據工程建設的基本情況，以控制造價成本為中心來進行結構優化設計，其內容就是利用對建筑的基礎結構、屋蓋系統結構方案和圍護系統結構方案等環節，建立起一種關于結構優化設計模型，通過對各種不同的影響變量參數中的關鍵參數進行科學的計算，確立最終的建筑工程結構設計的優化方案。房屋建筑結構優化設計意義重大，一方面是大大提高建筑結構經濟性，房屋建筑進行結構設計優化可節省材料，有利用抗震，減少內外表面裝修，提高了其受力性能，增強了建筑的經濟性能。二是結構優化設計大大降低了建筑工程的成本造價。節約用地，大量資料表明，房屋建筑進行結構設計優化能夠有效降低工程成本造價25%左右，同時結構優化設計技術能夠對施工材料的性能利用更加合理化，能夠讓建筑工程結構內部各個不同單元之間更加充分互協調，提升了建筑工程結構設計的經濟性。

房屋建筑結構設計優化技術在現實的運用中，可以達到物美價廉的效果，不僅實現了房屋的美觀和實用性，而且突出的節約了工程造價。在每個投資者眼中，在保證建筑結構可靠性和科學性的前提下，同時在建筑長遠效益下，最大程度的節約工程成本，是首先考慮的因素，這樣才能實現可持續性發展，用最低的投資成本獲取最大的經濟效益。

五、結論

房屋建筑結構造價在工程中是考慮因素較大的一個方面，結構設計優化技術的運用產生了巨大的經濟效益。所以建筑部門和建筑設計人員應當遵守經濟性、適用性和合理性的設計原則，再運用現代高科技手段，選擇運用合適的建筑結構設計方案，用以實現降低建筑總工程造價并獲取更大的經濟效益。

參考文獻：

[1]饒遠文.結構設計優化技術及其在房屋結構設計中的應用[J].價值工程，2010，（09）：160.

篇（8）

1 建筑結構優化設計的基本理論

結構優化設計不應僅僅在結構本身，而是應包括建筑的各方面，科學地確定建筑結構優化設計幾項基本原則并有效地按照這些基本原則去進行建筑結構設計，是非常重要的。建筑結構的優化設計主要體現在建筑工程的決策階段、設計階段、建設階段。在建筑工程的決策階段，確定結構優化設計所要達到的總體目標，滿足本體功能，最大程度保障安全性，縮減投資成本：在建筑工程的設計階段，確定每一個子系統及整體結構的優化布局；在建筑工程的建設階段，以結構優化設計為建設原則，組織建設好每一個子系統從而實現整體結構優化布局。決策階段結構優化選擇是關鍵，設計階段結構優化設計是核心，建設階段結構優化建設是基礎，3個階段互相驗證、互為補充、缺一不可。建筑結構優化設計的基本要求：

（1）功能性

建筑是人類的基礎物質生存環境，建筑結構優化的終極目標就是為了滿足人類對物質生存環境的最大化需求。對功能性的滿足也不再局限于傳統的實用，而是增添了舒適性、美觀性、協調性等多種新元素，滿足人類對基礎物質生存環境的更高要求。

（2）安全性

建筑作為人類生存的基礎生存環境，與人類的生產、生活緊密相關，安全性成為建筑結構優化設計的必然考慮因素。一味追求建筑結構的優化設計，忽略決策階段、設計階段、建設階段的安全性，其作為建筑不但沒有任何實際意義，反而會給人類正常生產和生活帶來致命的危害。因此，安全性是結構優化設計中的必然考慮因素。

（3）經濟性

建筑結構優化設計的經濟性是市場經濟條件下對資源配置提出的新要求。經濟性是指通過建筑結構的優化設計，最大化的節約各種材料資源，達到減少建設成本的目標。另外，各種材料資源都存在一定的稀缺特性，建筑結構的優化設計能科學合理的減少材料的使用量，節省建設材料使用成本。

（4）環保性

建筑結構設計的環保性是繼經濟性之后的一大更高要求，建筑結構優化設計過程通過材料選用品種的環保、整體布局的環保來體現可持續的發展理念。在建筑資源的材料選用方面，在保證建筑本體功能性、安全性的基礎上，最大可能的選擇節能環保型材料，同時，在結構優化的整體布局中，不僅強調建筑主體內部結構的統一與環保，也包括建筑建設過程中廢舊材料的處理與應用，更不能忽略建筑未來使用過程中對環境產生的重要影響。另外，材料選用的環保、整體布局的環保也是結構優化設計過程中安全性的體現。

2 建筑結構優化設計的策略、安全與經濟

2.1結構優化設計中的材料選用

基于物理學與建筑學的基本原理，建筑結構各個點、線、面都呈現出一定的力學承載力特征，而力學承載力本身的載體就是材料，通過各種材料的配置，加強構件的強度、剛性與延展性，鋼筋混凝土材料的打造適應了這一趨勢。工程實踐證明，鋼筋混凝土的結構設計中，梁柱是主要的承受載體，打造鋼筋混凝土梁柱能局部提高梁柱的抗壓力。因此，在工程建設實踐中，采用高標號的鋼筋混凝土，可以減少梁柱等構件的橫截面，減輕結構本體的重量，同時也擴大了使用空間：而梁板以受彎為特性，采用高強度鋼筋，能科學合理的減少鋼筋的使用量。另外，結構建設者應科學合理的匹配鋼筋混凝土結構中鋼筋與混凝土的投放比例，最大限度發揮鋼筋混凝土復合材料的復合特殊性能，所以在高層建筑結構中，在結構的轉換層、受力復雜的銜接點部位與大跨度結構上，采用型鋼混凝土、預應力混凝土是比較好的選擇，同時保證高層建筑功能性、安全性、經濟性的最大化性能發揮。在建筑結構設計與建設過程中，存在非常多的鋼筋混凝土現澆板中混凝土標號過高的情況，一味追求高標號混凝土是沒有任何意義的，高標號的混凝土無法理想發揮其強度性能，反而為抵抗高強混凝土較大的收縮變形和滿足最小配筋率要求，板中鋼筋的配筋量卻相繼增加，直接導致鋼筋的使用量增加，間接影響工程投資成本的提高。

2.2結構優化設計中的構件布置

建筑結構優化設計中的構件布置主要涉及梁、柱子、剪力墻的布置與設計。目前，高層建筑的結構設計大多采用框架一剪力墻結構體系，這種體系由鋼筋混凝土框架和鋼筋混凝土剪力墻2部分組成，框架的梁柱為剛接，框架與剪力墻可為剛接，也可為鉸接。高層建筑體日趨復雜，各種不同功能的建筑用房綜合在一起，組成形態各異的高層建筑，給建筑結構優化設計增加了一定的難度。而框架一剪力墻結構體系具有靈活組成使用空間的優點，比較容易滿足建筑物的使用要求，而且框架一剪力墻結構體系有較高的承載力，較好的延伸性和整體性，并且具備很強的吸收地震力的能力，從而大大減小了結構本身的側移。因此，在建筑結構優化設計的實踐過程中，在框架一剪力墻結構設計中，剪力墻剛度的確定除了必須滿足強度條件外，還必須使結構具有一定的側向剛度。基于此，剪力墻剛度的大小將直接影響到結構的安全性及工程造價成本。另外，在框架一剪力墻結構初步設計階段，簡捷、準確地確定框剪結構中剪力墻最優數量，即可避免重復、繁瑣的結構剛度調整計算，還可以達到減少經濟成本的目標。

梁的選用與布置。常規梁經濟性最好，但嚴重影響建筑層高，尤其是在目前土地資源有限的情況下，最終還是無法實現社會整體經濟效益的最大化；寬扁梁能減少梁的截面高度，增加建筑物的凈高。在建筑物總高度限制的情況下，可以增加層數，以獲得更多的建筑面積。但寬扁梁在經濟指標上與常規梁相比并不是最優，由于y方向截面高度減小，使得縱向鋼筋的配筋率較高，同時撓度偏大。在跨度進一步加大的情況下，也可采用預應力梁，以滿足建筑物的特殊要求，但費用較高。此外，高層建筑框架柱截面大小主要由軸壓比控制，在上部軸力一定的情況下，可以通過加大柱截面、提高混凝土設計強度、加大柱箍筋、采用鋼混凝土柱等不同方法來控制柱軸壓比，最大化程度保證功能性與安全性。

2.3結構優化設計中的整體布局

篇（9）

中圖分類號：TU318 文獻標識碼：A

引言

建筑結構設計就是建筑結構設計人員對所要施工的建筑的表達。而建筑是人類物質生存環境的重要載體。近年來，節能環保型社會建設理念的不斷深入人心，進一步加劇了建筑的需求者與供應者對建筑結構優化設計的需要。建筑結構的優化設計，不但滿足了投資者控制建筑投資成本的目標，而且更加符合使用者對建筑本體功能的需求，從而實現了社會整體經濟效益的最大化。因此，建筑結構的優化設計，在市場經濟下的節能環保型社會越來越成為可行。

1 建筑結構優化設計的基本理論

結構優化設計不應僅僅在結構本身,而是應包括建筑的各方面,科學地確定建筑結構優化設計幾項基本原則并有效地按照這些基本原則去進行建筑結構設計,是非常重要的。建筑結構的優化設計主要體現在建筑工程的決策階段、設計階段、建設階段。在建筑工程的決策階段，確定結構優化設計所要達到的總體目標，滿足本體功能，最大程度保障安全性，縮減投資成本；在建筑工程的設計階段，確定每一個子系統及整體結構的優化布局；在建筑工程的建設階段，以結構優化設計為建設原則，組織建設好每一個子系統從而實現整體結構優化布局。決策階段結構優化選擇是關鍵，設計階段結構優化設計是核心，建設階段結構優化建設是基礎，3 個階段互相驗證、互為補充、缺一不可。建筑結構優化設計的基本要求:

（1）功能性

建筑是人類的基礎物質生存環境，建筑結構優化的終極目標就是為了滿足人類對物質生存環境的最大化需求。對功能性的滿足也不再局限于傳統的實用，而是增添了舒適性、美觀性、協調性等多種新元素，滿足人類對基礎物質生存環境的更高要求。

（2）安全性

建筑作為人類生存的基礎生存環境，與人類的生產、生活緊密相關，安全性成為建筑結構優化設計的必然考慮因素。一味追求建筑結構的優化設計，忽略決策階段、設計階段、建設階段的安全性，其作為建筑不但沒有任何實際意義，反而會給人類正常生產和生活帶來致命的危害。因此，安全性是結構優化設計中的必然考慮因素。

（3）經濟性

建筑結構優化設計的經濟性是市場經濟條件下對資源配置提出的新要求。經濟性是指通過建筑結構的優化設計，最大化的節約各種材料資源，達到減少建設成本的目標。另外，各種材料資源都存在一定的稀缺特性，建筑結構的優化設計能科學合理的減少材料的使用量，節省建設材料使用成本。

（4）環保性

建筑結構設計的環保性是繼經濟性之后的一大更高要求，建筑結構優化設計過程通過材料選用品種的環保、整體布局的環保來體現可持續的發展理念。在建筑資源的材料選用方面，在保證建筑本體功能性、安全性的基礎上，最大可能的選擇節能環保型材料，同時，在結構優化的整體布局中，不僅強調建筑主體內部結構的統一與環保，也包括建筑建設過程中廢舊材料的處理與應用，更不能忽略建筑未來使用過程中對環境產生的重要影響。另外，材料選用的環保、整體布局的環保也是結構優化設計過程中安全性的體現。

2 建筑結構優化設計的策略、安全與經濟

2.1結構優化設計中的材料選用

基于物理學與建筑學的基本原理，建筑結構各個點、線、面都呈現出一定的力學承載力特征，而力學承載力本身的載體就是材料，通過各種材料的配置，加強構件的強度、剛性與延展性，鋼筋混凝土材料的打造適應了這一趨勢。工程實踐證明，鋼筋混凝土的結構設計中，梁柱是主要的承受載體，打造鋼筋混凝土梁柱能局部提高梁柱的抗壓力。因此，在工程建設實踐中，采用高標號的鋼筋混凝土，可以減少梁柱等構件的橫截面，減輕結構本體的重量，同時也擴大了使用空間；而梁板以受彎為特性，采用高強度鋼筋，能科學合理的減少鋼筋的使用量。另外，結構建設者應科學合理的匹配鋼筋混凝土結構中鋼筋與混凝土的投放比例，最大限度發揮鋼筋混凝土復合材料的復合特殊性能，所以在高層建筑結構中，在結構的轉換層、受力復雜的銜接點部位與大跨度結構上，采用型鋼混凝土、預應力混凝土是比較好的選擇，同時保證高層建筑功能性、安全性、經濟性的最大化性能發揮。在建筑結構設計與建設過程中，存在非常多的鋼筋混凝土現澆板中混凝土標號過高的情況，一味追求高標號混凝土是沒有任何意義的，高標號的混凝土無法理想發揮其強度性能, 反而為抵抗高強混凝土較大的收縮變形和滿足最小配筋率要求,板中鋼筋的配筋量卻相繼增加, 直接導致鋼筋的使用量增加，間接影響工程投資成本的提高。

2.2 結構優化設計中的構件布置

建筑結構優化設計中的構件布置主要涉及梁、柱子、剪力墻的布置與設計。目前，高層建筑的結構設計大多采用框架- 剪力墻結構體系, 這種體系由鋼筋混凝土框架和鋼筋混凝土剪力墻2 部分組成,框架的梁柱為剛接,框架與剪力墻可為剛接,也可為鉸接。高層建筑體日趨復雜,各種不同功能的建筑用房綜合在一起,組成形態各異的高層建筑,給建筑結構優化設計增加了一定的難度。而框架- 剪力墻結構體系具有靈活組成使用空間的優點, 比較容易滿足建筑物的使用要求, 而且框架- 剪力墻結構體系有較高的承載力,較好的延伸性和整體性,并且具備很強的吸收地震力的能力, 從而大大減小了結構本身的側移。因此，在建筑結構優化設計的實踐過程中，在框架-剪力墻結構設計中,剪力墻剛度的確定除了必須滿足強度條件外, 還必須使結構具有一定的側向剛度。基于此,剪力墻剛度的大小將直接影響到結構的安全性及工程造價成本。另外，在框架- 剪力墻結構初步設計階段,簡捷、準確地確定框剪結構中剪力墻最優數量,即可避免重復、繁瑣的結構剛度調整計算,還可以達到減少經濟成本的目標。

梁的選用與布置。常規梁經濟性最好,但嚴重影響建筑層高，尤其是在目前土地資源有限的情況下，最終還是無法實現社會整體經濟效益的最大化；寬扁梁能減少梁的截面高度,增加建筑物的凈高。在建筑物總高度限制的情況下,可以增加層數,以獲得更多的建筑面積。但寬扁梁在經濟指標上與常規梁相比并不是最優,由于y 方向截面高度減小,使得縱向鋼筋的配筋率較高,同時撓度偏大。在跨度進一步加大的情況下,也可采用預應力梁,以滿足建筑物的特殊要求,但費用較高。此外，高層建筑框架柱截面大小主要由軸壓比控制, 在上部軸力一定的情況下,可以通過加大柱截面、提高混凝土設計強度、加大柱箍筋、采用鋼混凝土柱等不同方法來控制柱軸壓比，最大化程度保證功能性與安全性。

2.3 結構優化設計中的整體布局

篇（10）

Abstract: with the rapid growth of the economy, promoting the urbanization process pace and the building structure optimization design, is the realization of building ontology function and construction investment cost of the key method. Along with the national building economical society concept unceasingly thorough, building to connect to building structure and providers of optimization design put forward higher request. Building structure optimization design of project cost is to save one of the important means, and at the same time, the relationship between the safety of buildings and to maximize the benefit of investment.

Keywords: optimization design; Building structure; scheme

中圖分類號：TU318 文獻標識碼：A 文章編號：

引言

建筑結構優化設計的突出表現和最終目的， 是為了降低工程的造價， 這是比較狹義上的說法，但是在現實中對建設結構設計的優化，主要指的是廣義的說法，在降低工程造價的同時，保證其建筑的安全性，在利益最大化和質量保證中找到一個最優的平衡點，這就是目前建筑結構優化設計的意義所在。

1.建筑結構優化設計的概述

建筑結構優化設計的基本理論建筑結構的優化設計主要體現在建筑工程的決策階段、設計階段、建設階段。在建筑工程的決策階段，確定結構優化設計所要達到的總體目標，滿足本體功能，最大程度保障安全性，縮減投資成本；在建筑工程的設計階段，確定每一個子系統及整體結構的優化布局；在建筑工程的建設階段，以結構優化設計為建設原則，組織建設好每一個子系統從而實現整體結構優化布局。決策階段結構優化選擇是關鍵，設計階段結構優化設計是核心，建設階段結構優化建設是基礎，3個階段互相驗證、互為補充、缺一不可。建筑結構優化設計的基本要求:功能性建筑是人類的基礎物質生存環境，建筑結構優化的終極目標就是為了滿足人類對物質生存環境的最大化需求。

2.建筑結構設計優化方法

賞心悅目的建筑是建筑的美觀與結構設計相互協調密切配合的結果。建筑結構設計追求適用、安全、經濟、美觀和便于施工五種效果，而建筑設計優化設計技術方法的應用不但滿足了建筑美觀、造型優美的要求又能使房屋結構安全、經濟、合理，成為實際意義上的"經濟適用"房。從建筑上分析結構設計優化方法，它主要體現在建筑工程分部結構的優化設計和建筑工程結構總體的優化設計量方面。

2.1建筑結構優化計算方案

在設計模型已經優化后，工程師可以在概念、經驗和估算的基礎上借助計算機進行可靠的分析計算，經過多次計算比較和調整，使結構設計更加合理和經濟。在利用計算機結構設計程序進行結構計算時，要注意以下問題：不能盲目的依賴計算機-對于輸入的幾何圖形，構件尺寸、荷載數據等應認真核對、力求準確無誤，對計算參數的選取要正確合理，注意實際結構與計算模型的差異。最后可以利用程序的工程量統計功能進行不同結構形式的對比，以找出最優方案。

2.2進行程序設計。根據基于可靠度的結構優化模型和選擇的優化設計計算方法，編制功能齊全、運算速度快的綜合程序。

2.3結果分析。對計算結果進行分析，確定最優設計方案。

在執行以上步驟的過程中，必須要全方位、多角度考慮方方面面的問題。這主要是因為建設投資是一項耗資巨大的工程，涉及到的方面比較復雜，因此必須進行總法規和考慮，不能僅僅為了節約資金投入而忽視了設計的優化作用。要正確處理技術與經濟的對立統一是控制投資的關鍵環節。設計中既要反對片面強調節約，忽視技術上的合理要求，使項目達不到功能的傾向，又要反對重視技術，輕經濟、設計保守浪費的現象。

3.建筑結構設計優化經濟性

建筑結構優化設計的經濟性是市場經濟條件下對資源配置提出的新要求。經濟性是指通過建筑結構的優化設計，最大化的節約各種材料資源，達到減少建設成本的目標。另外，各種材料資源都存在一定的稀缺特性，建筑結構的優化設計能科學合理的減少材料的使用量，節省建設材料使用成本。

建筑的層高增加，由于墻體面積和柱體積增加，結構的自重會增加，基礎和柱的承載力相應增加，水衛和電氣的管線會加長；相反降低層高，可節省材料，有利于抗震，同時建筑的總高度減小，兩建筑之間的日照距離就會減小，間接的節約了用地。建筑面積相同，建筑使用不同的平面形狀時，它的外墻周長也就會不同，這樣當選擇圓形或是越接近于方形時，外墻周長系數就越小，基礎、外墻砌體、內外表面裝修都隨之減少，同時其受力性能也得到提高，增強了建筑的經濟性能6%-34%。優化方法的技術性實現，可以最合理的利用材料性能，使建筑結構內部各單元得到最好的協調，不僅可以實現建筑美觀、實用，而且在造價方面也有較大的節省，達到了建筑工程設計對適用、安全、經濟、美觀和便于施工的一般要求。通過使用優化設計手段，達到這5個方面的最佳結合，符合現今建筑商對于建筑結構的效益的需求，也符合市場可持續發展的需求。

4.工程概況及應用實例

麗翠苑住宅小區位于中山市三鄉鎮，建筑面積約57674.79m2，由5層裙樓及32層塔樓組成，裙房平面尺寸為76.65m×63.62m，塔樓平面尺寸為37.65m×32.6m，將地下二層按規范要求的嵌固構造處理，使其作為上部的嵌固端，嵌固以下埋深7m，以上99.8m（結構計算高度）。建筑總高度為106.8m（未包括出屋面的電梯，樓梯間的高度）。該結構平面布置不規則，在裙樓五層處進行高位轉換。

結構設計中裙房部分主要考慮由恒載及使用活荷載等豎向荷載引起的荷載效應，主樓部分結構設計不僅考慮豎向荷載效應，還要考慮水平地震作用及風荷載作用下產生的荷載效應的組合。綜合考慮裙樓部分大空間的設計使用要求以及主樓部分的抗側移設計要求，裙房結構承重體系采用鋼筋混凝土框架結構形式，主樓采用剪力墻承重結構體系。本建筑結構在主樓抗側力構件設計中，剪力墻主要承擔水平作用，框架承擔少部分水平荷載作用和大部分豎向荷載作用。主樓平面形狀不規則，因樓梯、電梯間均設置在核心筒內，為提高主樓結構的抗扭能力，剪力墻結合樓電梯間在主樓范圍內采取了加強處理，具體厚度根據高層建筑結構設計的變形限值，由剛度、承載力和延性三者間的最佳匹配決定。 在主樓剪力墻的布置中，盡量按照下部轉換柱的所在位置來設置，以避免二次轉換及盡量減少需要轉換的剪力墻，經過多輪的調整后，將原來方案中需要轉換的剪力墻減少了四條，使轉換結構大為減少，在保證結構安全的前提下，對經濟性亦有提高。

5.結束語

綜上所述，通過結構優化設計來降低工程造價是控制工程投資的一個有效途徑,而正確處理技術與經濟的對立統一是控制投資的關鍵。對建筑工程進行優化設計一直是結構師們共同的目標，建筑結構的優化設計是一個比較科學系統的設計過程，不能片面強調節約投資,而降低技術和質量標準,又要反對重技術、輕經濟,設計保守浪費的現象。 因為影響工程造價和建筑質量的因素有很多，所以在實際的建筑機構設計中，一定要充分的考慮各方面的因素，在每個細節上都力求優化， 只有這樣才能實現建筑結構優化設計的最終目的，以更好的服務于我國建筑業的發展。

參考文獻：

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篇（11）

房屋結構設計優化技術的現實價值和應用

1.1房屋結構設計優化技術的現實價值

設計人員在進行房屋結構設計時，首先要考慮的就是要滿足房屋結構效益的長遠化，在這個前提下，要最大限度的減少投資商的投資成本同時保證結構上的科學合理。與傳統的房屋結構設計理念相比，現代房屋結構設計優化技術應用之后，能夠有效的降低工程成本，大約可以維持在10%—35%之間。結構設計優化技術的運用，不僅能夠將建材的利用率和性能發揮到最大值，同時也使房屋內部的各個空間之間的結構實現協調規劃，并且符合我國相關的安全質量規定。此外，房屋結構設計優化技術的運用還能夠對房屋的最初設計提供幫助，因此，優化技術對房屋整體設計的安全、合理、舒適起著重要的作用。

1.2房屋結構設計技術方案和理論的應用

房屋結構設計方案和理論在現實中的應用主要表現在兩個方面，即房屋總體工程結構設計的優化和房屋各個組成部分的設計優化。在這其中，房屋各個組成部分的設計優化包括很多方面，如：相關細節結構部分的優化設計、相關基礎結構方面的優化設計、房屋護圍結構方面的優化設計和房屋屋頂方面的設計優化等，對于這些方面的設計優化還包含很多更加細化的設計，如布置、選型、造價、受力等方面的設計優化。相關的設計工作者應該在滿足房屋建造的相關規定前提下，而后充分考慮造價方面的因素進行相關的結構設計優化。

二、房屋結構設計優化的經濟性分析

2.1房屋結構設計占地方面的經濟性

在當前，房屋的建造形式主要以高層和超高層為主，而房屋建造的總面積是由隔層面積之和而得，所以說，房屋的建造層數越多，相應的總的建筑面積就會越多，由此房屋的單位建筑面積需要占用的土地面積越小。與此同時，隨著建筑層數的不斷增加，房屋高度也會隨之不斷增加，而房屋與房屋之間的間距也會隨之增加，由此可見，在房屋建造時，占地面積與房屋高度并不是按照一定比例進行增加的。

2.2房屋結構設計在造價方面的經濟性

在進行房屋結構設計時，結構設計方法以及所使用的建材的不同可能使整個工程的造價產生巨大的變化，因此在進行結構設計時有必要對各種方面如結構類型的選擇和建筑材料的選用等進行必要的經濟性的考慮。在相同建筑面積時,住宅建筑平面形狀不同,住宅的外墻周長系數也不相同。顯然平面形狀越接近方形或圓形,外墻周長系數越小,外墻砌體、基礎、內外表面裝修等也隨之減少,并且受力性能好,造價會降低。考慮到住宅的使用功能和方便性,通常單體住宅建筑的平面形狀多為矩形。根據相關的統計顯示，采用科學合理的設計方案能夠使整個工程的造價下降10%左右，甚至有的可以達到20%。房屋結構大多是由基礎、柱、梁、樓板等組成，而這些部分所需的成本造價也存在很大的差異，不同的結構類型的工程造價是不同的。如在剪力墻結構中，在進行高層建筑抗震設計時短支剪力墻的抗震等級應比相應的剪力墻的抗震等級高一級，所以在平面設計上要盡量減少短支剪力墻的數量這樣也會相應的減少構造鋼筋的使用量從而減少工程造價。因此，在實際工程施工過程中，應該根據實際情況有針對性的進行結構類型選擇。

2.3高層住宅結構設計的經濟性

對于高層住宅而言，其層數直接與成本造價產生聯系，隨著層數的不斷增加，建筑中，墻體面積、柱體面積等都會隨之增加，建筑的整體自重、基礎的承載能力、各種管線的長度同樣也會增加。因此設計一個合適的層數，不僅可以使得建筑材料大大節約，而且有利于抗 震性能的提升，同時，一個合適的建筑物高度還能夠使得相鄰建筑物之間的距離縮短，節約建筑用地。

結構優化設計技術在房屋建筑中的應用

3.1結構設計優化應注意前期參與

房屋建設的投資計劃在實際的過程中受很多因素的影響，影響最大的當屬前期方案的確定，

前期方案的確定將直接影響整個建設項目的總投資成本，對目前而言在進行結構設計時存在問題最大的也是前期方案的確定問題。在進行房屋結構設計時具體的施工人員并不將優化設計使用在前期方案的設計之中，往往忽略考慮建筑物結構的和理性和可行性，這樣設計出來的結構設計結果將會對整體結構造成很大影響，不僅增加了后期結構設計的困難度而且在項目總投資上增加了一定的成本，這些都是得不嘗試的結果。如果我們在前期方案確定是就加入結構優化設計，那么我們就能從容的針對不同的建筑類別要求，優化選擇合理的結構形式和設計方案，在避免上述情況發生的同時保證了工程的進度也減少了投資商的投資資本，這是一舉兩得的最佳選擇。

3.2結構設計優化方法

從建筑上分析結構設計優化方法，它主要體現在房屋工程分部結構的優化設計和房屋工程結構總體的優化計量。對于房屋工程分部結構優化設計主要包括：基礎結構方案的優化設計、屋蓋系統方案的優化設計、結構細部設計的優化設計和維護結構方案的優化設計四個大的方面，同時還包括對結構設計中選型、空間布置、受力分析和造價等幾個小的方面。在實際的優化設計中要一切從實際出發結合具體的工程實際情況滿足設計圖的整體規劃要求，最大限度的使平面布置規則同時減少剛度和質量中心的差異，要著重注意減少應力集中的現象。在構建結構優化設計模型時要合理選擇主要參數以創建函數模型，運用合理科學的結構優化計算方案和計算方法將有約束條件轉換成無約束條件進行計算最后編制相應的運算程序以得出最終的優化結果。具體步驟如下：首先是對設計變量的合理選擇，要選取對設計要求影響較大的參數，并將影響較小的參數作為預定參數，采用此方法將會達到減少計算編程的工作量的效果：其次其確定目標函數，是函數滿足設計要求的最優解；最后進行約束條件的確定，這里的約束條件包括應力約束、結構強度約束、尺寸約束等，在保證個約束條件滿足現行規范要求的同時采用優化設計合理進行優化是建筑物達到最完美的設計效果。

3.3概念設計優化技術

在現代建筑設計中越來越多的因素被考慮在之中，不同于傳統的結構設計概念設計的理念的引入是一場思想的革新。用概念思想來進行建筑結構設計就是設計師在設計的方案階段根據其自身的工作經驗和專業的理論知識，在沒有確定具體方案的情況下運用概念設計方法在腦海中進行整體結構的優化。概念設計主要針對設計工程中對于不同的建筑結構采用何種設計施工方法無法確定時，這時設計人員就要根據自身經驗并考慮和遵循一般設計規律在不依靠計算機的情況下得到我們想要的最終結果。概念設計的引用較傳統設計思想而言可以迅速的、有效的對結構體系進行構思、比較和選擇，保證了工作的高效進行的同時也幫助了建筑師確定整體結構體系，使結構體系和受力分析以一種清晰明朗的形式顯示出來，避免了后期設計的不必要的計算具有很高的安全可靠性。將概念設計得到的數據與計算機計算得到的數據進行比較可以大大的提高運算的準確性。在實際設計中概念設計還表現在對一些外力的不確定因素堤建筑物的影響，其中影響最大的就是地震對建筑物產生的影響，因此在設計中就要首先將防震思想考慮其中，要多道設防思想是建筑物在地震發生時次要構件先破壞以消耗部分地震能量，此外進行延性設計也能有效的防止結構發生脆性破壞，這些抗震設防思想在整個設計工程中都將作為概念設計的重要指導思想。概念設計是結構設計的靈魂和核心，它貫穿于設計工程師的知識水平和設計水平也統領結構設計的全部過程。運用結構概念設計從整體上把握結構的的各項性能，只有這樣才能對計算分析結果進行更為科學、更為合理的采用，保證了工程師在設計之中的主導地位。

3.31概念設計結合細部結構設計優化

概念設計應用于沒有具體數值量化的情況，例如地震設防烈度，因為它的不確定性，計算式難免與現實之間有很大的差異，在進行設計的時候就要采用概念設計的方法，把數值作為輔助和參考的依據。設計過程中需要設計人員靈活的運用結構設計優化的方法，達到最佳的效果。與宏觀把握相對應的，設計的過程同時要注意對于細部的結構設計優化，比如現澆板中的異形板拐角處易出現裂縫，可劃分為矩形板。注意鋼筋的選擇，I級鋼和冷軋帶肋鋼市場價格差不多，但是他們的極限抗拉力卻相差很大，所以在塑性滿足要求的情況下，現澆板的受力鋼筋就可選擇冷軋帶肋鋼筋。在做里面設計的時候，外立面上的懸挑板及配筋，滿足基本的規范要求即可，達到既安全又經濟的目的。

3.4 ANSYS在優化設計中的應用

傳統的結構設計先是憑借經驗和判斷做出結構的初始方案，包括空間總體布置、材料選擇、結構尺寸和制造工藝等幾個方面然后在進行結構分析，最后在力學的基礎上校驗其方案的可行性，必要時需要進行多次方案修改。在傳統的結構設計中結構分析只是僅僅起到了校驗可行性的校驗功能。而利用ANSYS進行優化設計分析不僅只進行一次計算就可以完成結構的應力和尋優計算而且能夠滿足設計規定的約束條件實現目標最優。ANSYS軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析已預提的大型通用有限元分析軟件，自開發以來不斷汲取新的計算技術和方法，在進行高級分析時將有限元分析與優化設計方法合理有效的結合在一起，從而構成了基于有限元分析技術的優化設計。作為工程設計人員而言并不需要具備完善的理論基礎只需要掌握就工程所涉及的相關背景能夠將工程實際問題轉換成優化模型，這樣就可以通過使用ANSYS軟件完成工程的優化設計，ANSYS軟件的應用不僅大大提高了優化設計的工作效率減少了設計過程中繁瑣的編程操作而且也大大的提高了工程計算的準確性，保證了工程的整體質量。

3.41 ANSYS結構優化實例

根據上述優化過程的思路，使用ANSYS對常用的三桿桁架進行優化設計。三桿桁架結構模型如圖2所示，桁架由三根桿組成，承受縱向和橫向載荷作用。優化的目標是使桁架的重量最小，其中三根桿的橫截面面積和基本尺寸B在指定范圍內變化，每根桿的在最大應力不超過400MPa。已知條件如下：

桁架的材料特性 彈性模量：E=2.06×105MPa，密度：ρ=7.5×10-3g/mm3，泊松比：ν=0.3，最大許用應力：σmax=400 MPa。

幾何條件 桿的橫截面面積變化范圍：10~10000mm2，基本尺寸B的變化范圍：1000~10000mm。

集中載荷FX=5×105N，FY=5×105N。

優化設計模型是要在滿足給定的工況條件下，追求三桿桁架機構重量的最小值。根據該問題的情況，選擇三根桿的橫截面積A1，A2，A3以及基本尺寸B為設計變量，目標函數為桁架的重量最小，約束條件為三根桿的內應力在許用應力范圍之內以及幾何條件。所以，可以根據式（1）將該問題用優化數學模型表示。 按照ANSYS的優化設計過程，采用一階方法，共進行了10次迭代，得到了優化結果。從結果中可以看出，當A1=2091.5mm，A2=10000mm，A3=477.6mm，B=6062.8mm時，桁架的重量為0.2261t，在滿足給定條件下三桿桁架結構的重量達到最小。圖2給出了目標函數（重量）的變化規律，從圖中也能直觀地看到目標函數的整個優化過程以及最終的結果。

圖1 桁架結構模型圖

圖2目標函數與迭代次數的關系圖

3.5下部地基基礎結構設計優化

地基基礎的結構設計優化首先要選擇合適的方案，如果為樁基礎，那么要根據現場地質條件選擇樁基類型，盡量節省造價。樁端持力層對灌注樁樁長的選擇影響很大，應多進行比較以確定最合適的方案。

結語：結構優化設計技術在房屋建筑中的應用，隨著我國社會經濟的快速發展、生產技術水平和人們生活水平的的提高以及人們對于居用建筑功能要求的不斷改變，優化結構設計目前已經得到了極大的推廣與發展。建筑是凝固的藝術，建筑師總是希望通過建筑物表達自己的設計意圖，力求藝術性和實用性的完美結合。結構優化設計工作同樣是一項事無巨細的工作，只有在今后更多的實踐中不斷積累經驗，發現問題和解決問題才能夠在未來的房屋建筑工程結構設計競爭中占得先機。對于專業設計人員來說要把提高自身職業技能和設計質量作為終身奮斗的目標，為國家建設行業貢獻自己的力量。

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