結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是指在給定的約束條件下，以重量最輕、成本最低、剛性最大等為目標(biāo)，尋求最好的設(shè)計方案，稱為結(jié)構(gòu)最佳設(shè)計或結(jié)構(gòu)最佳設(shè)計，與結(jié)構(gòu)分析相比，也稱為結(jié)構(gòu)綜合的結(jié)構(gòu)重量最小目前，許多建筑項目投資大，建設(shè)周期長，有效進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，相應(yīng)減少投資金額，建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是實現(xiàn)建筑本體功能和建筑投資成本的重要手段。

現(xiàn)階段，伴隨著市場經(jīng)濟(jì)的持續(xù)完善，建筑物的經(jīng)濟(jì)性能愈來愈高度重視。因此，用最少的材料和最低的成本建造符合規(guī)范和使用要求的建筑物是我們不懈的追求。但同時，如何保障建筑物的安全性能？因此，結(jié)構(gòu)了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的作用！結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計不是簡單地減少混凝土和鋼筋的使用量，而是通過調(diào)整各部件剛性之間的比例關(guān)系，充分利用各部件的受力特征，發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，使整體結(jié)構(gòu)最佳化。

一、建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的基本原則是什么？

1、功能原則

建筑工程作為人類的基礎(chǔ)物質(zhì)生存環(huán)境，建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的最終目標(biāo)是滿足人類對物質(zhì)生存環(huán)境的最大化需求，其結(jié)構(gòu)設(shè)計效果大大決定工程建設(shè)的綜合效率。優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，不僅要滿足基礎(chǔ)功能，還要從美觀、協(xié)調(diào)性、舒適性等角度完善，從更大的方面滿足用戶對工程的綜合要求。

2、安全性原則

建筑作為人類生存的基礎(chǔ)生存環(huán)境，與人們密切相關(guān)。因此，迄今為止人們對建設(shè)的要求很高。在社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下，必須優(yōu)化傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計理念和方式。其中需要注意的是，建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計除了要滿足基本的使用需外，還需要滿足安全的使用要求，即為正常的生產(chǎn)生活提供安全的居住環(huán)境，提高工程結(jié)構(gòu)建設(shè)的綜合要求。盲目追求建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，忽視決策階段、設(shè)計階段、建筑階段的安全性，作為建筑不僅沒有實際意義，還給人類的正常生產(chǎn)和生活帶來致命的危害。

3、環(huán)境保護(hù)原則

建筑工程建設(shè)所需資源較多，在持續(xù)發(fā)展理由下，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，不僅要保證功能要求，還要優(yōu)化資源利用。也就是說，選擇環(huán)境保護(hù)的施工材料，提高結(jié)構(gòu)整體布局的環(huán)境保護(hù)性，貫徹到最后。在建筑資源材料的選擇上，要保證結(jié)構(gòu)安全性、功能性和環(huán)境保護(hù)性的綜合要求，在實現(xiàn)主體內(nèi)部結(jié)構(gòu)環(huán)境保護(hù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行各廢棄材料的處理和應(yīng)用，提高工程結(jié)構(gòu)的綜合設(shè)計效果，降低對環(huán)境的影響[3]。

4、經(jīng)濟(jì)原則

經(jīng)濟(jì)是指通過建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，最大限度地節(jié)約各種材料資源，達(dá)到降低建筑成本的目標(biāo)。優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，還應(yīng)從設(shè)計成本上分析，控制結(jié)構(gòu)設(shè)計成本，在滿足市場經(jīng)濟(jì)條件的基礎(chǔ)上提高各資源的合理配置。綜合分析經(jīng)濟(jì)原則和環(huán)境保護(hù)原則，選擇能源消耗低的材料，最大限度地減少各材料的利用，降低材料投入成本。此外，通過合理設(shè)計結(jié)構(gòu)內(nèi)部，提高空間利用效率，在有限的成本范圍內(nèi)，獲得更有效的設(shè)計方案。

5、提高建筑舒適度的原則

好的建筑物應(yīng)該是從建筑、結(jié)構(gòu)、裝飾到給排水、暖通、空調(diào)、煤氣、電氣設(shè)置等各個專業(yè)的優(yōu)化設(shè)計組合，整體的優(yōu)化設(shè)計，如果只有某個專業(yè)的設(shè)計好的話，就不能被稱為好的建筑，結(jié)構(gòu)設(shè)計也不例外的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計最大限度地滿足建筑平面的配置、內(nèi)部空間的高度和建筑立面等的使用功能和外觀的要求因此，建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計應(yīng)包括結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化、傳輸途徑的科學(xué)性、部件配置的合理性、部件和材料選擇的正確性等內(nèi)容，盡量提高建筑投入使用后的舒適性，作為建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的重要基本原則。

6、不一樣構(gòu)件采用不一樣的安全系數(shù)原則

現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板的約束作用，能夠極大地提升樓蓋梁的承載能力，最高能夠提升約1.5倍。目前國內(nèi)結(jié)構(gòu)計算軟件無法正確反映現(xiàn)澆地板的約束作用。因此，根據(jù)力學(xué)的計算結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，對于現(xiàn)澆樓梁來說，安全系數(shù)相當(dāng)高。

另一方面，通過對發(fā)生坍塌事故的工程進(jìn)行事故原因的調(diào)查和分析，可以蓋和大樓梁的問題，結(jié)構(gòu)破壞的工程實例極少，除非結(jié)構(gòu)計算本身有錯誤，否則從眾多振動調(diào)查的工程實例中也可以看出，在地震力的作用下建筑物倒塌的主要原因是墻壁、柱子等縱向部件首先被破壞。

在實際結(jié)構(gòu)設(shè)計中，如果不考慮部件的實際承載能力，對所有部件采用相同的安全系數(shù)，建筑結(jié)構(gòu)在安全性和經(jīng)濟(jì)性方面就不合理。因此，在構(gòu)造設(shè)計時，獨(dú)立構(gòu)件、靜態(tài)構(gòu)造和垂直部件應(yīng)采用較大的安全系數(shù)，適當(dāng)降低地板和地板梁的安全系數(shù)，降低工程成本，提高結(jié)構(gòu)的綜合安全度。

二、建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計有什么作用？

1、降低總成本

在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中，多層住宅與高層住宅相比，層數(shù)越多，總建筑面積越大，單位建筑面積占有的土地面積越小，節(jié)約了用地成本，但建筑層數(shù)越多，建筑總高度也越大，大樓與大樓之間的間隔對于基礎(chǔ)部分，各層共有，但層數(shù)增加，傳遞給基礎(chǔ)的負(fù)荷增加，需要增加基礎(chǔ)，單位面積成本下降，但屋頂效果不明顯。

2、提高建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性

高層建筑的建設(shè)成本成為必須考慮的重要因素，對應(yīng)的結(jié)構(gòu)成本更加嚴(yán)格控制。一個設(shè)計人員在保證建筑質(zhì)量的基礎(chǔ)上，采用合理的計算模型、計算參數(shù)、設(shè)計負(fù)荷、結(jié)構(gòu)措施和合理的計算指標(biāo)是實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)合理鋼含量的重要途徑，必須認(rèn)真結(jié)合規(guī)范和具體工程情況進(jìn)行選擇，根據(jù)規(guī)范和結(jié)構(gòu)概念合理使用計算結(jié)果進(jìn)行設(shè)計，必要時采用手工計算復(fù)核。目前，筆者在某高層建筑工程的兩種狀態(tài)下比較了結(jié)構(gòu)計算結(jié)果。

三、建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計應(yīng)注意哪些問題？

結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用于新項目前期設(shè)計、施工圖設(shè)計和舊房改造等設(shè)計的各個部分，多種利益非常大。在模型實踐和結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化過程中，應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

(1)參與前期設(shè)計。建筑總投資受前期方案的直接影響，目前存在的問題大多不參與前期方案階段的結(jié)構(gòu)設(shè)計，建筑師在設(shè)計方案時多不考慮結(jié)構(gòu)的可行性和合理性，但建筑設(shè)計的最終結(jié)果直接影響結(jié)構(gòu)設(shè)計，有些方案可能增加結(jié)構(gòu)設(shè)計的難易度，提高建筑總投資。如果在方案初期，可以參與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，我們可以針對不同的建筑類別，選擇合理的結(jié)構(gòu)形式，合理的設(shè)計方案，獲得良好的開端。

(2)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計。基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化首先是選擇最合適的方案，如果是樁基，必須根據(jù)施工現(xiàn)場的具體情況選擇樁基類型，節(jié)約成本，減少不必要的浪費(fèi)。對灌注樁的選擇影響較大的是樁端的持力層，為了確定最佳方案，必須進(jìn)行更多的比較。

(3)優(yōu)化細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計。概念設(shè)計應(yīng)用有具體數(shù)值量化的情況下應(yīng)用，在設(shè)計過程中要設(shè)計者靈活運(yùn)用結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法，達(dá)到最佳效果。與宏觀把握相對應(yīng)，在設(shè)計過程中，要注意細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化。例如，現(xiàn)澆板中異形板的拐角容易出現(xiàn)裂縫，必須設(shè)置放射線筋分為矩形板。立面設(shè)計時，外立面懸掛板和配筋只要滿足規(guī)范的結(jié)構(gòu)要求，就能達(dá)到安全經(jīng)濟(jì)的目的。

四、建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法是什么？

1、并行算法

高層建筑結(jié)構(gòu)的主要因素是結(jié)構(gòu)的抵抗水平力的性能。因此，抗側(cè)移性能的強(qiáng)弱成為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要因素，是衡量建筑結(jié)構(gòu)安全性、穩(wěn)定性能的標(biāo)準(zhǔn)。

在建筑結(jié)構(gòu)中，單位建筑結(jié)構(gòu)面積的結(jié)構(gòu)材料中，承擔(dān)重力負(fù)荷的結(jié)構(gòu)材料的使用量與房屋層數(shù)近似成正比線性關(guān)系。另外，用于建筑結(jié)構(gòu)屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)材料的使用量幾乎是定值，不會隨結(jié)構(gòu)的層數(shù)而變化，但是用于墻壁、柱子等結(jié)構(gòu)部件的材料的使用量根據(jù)大樓的層數(shù)成線性的正比增加，對于抵抗側(cè)向移動的結(jié)構(gòu)材料的使用量，與大樓結(jié)構(gòu)層數(shù)的二次方的關(guān)系增加了。

2、可靠性優(yōu)化法

選擇非地震災(zāi)區(qū)高層建筑結(jié)構(gòu)時，應(yīng)優(yōu)先選擇抗風(fēng)性能好的結(jié)構(gòu)體系，即風(fēng)壓體型系數(shù)小的建筑結(jié)構(gòu)體系。例如，構(gòu)造外形曲線型變化的建筑構(gòu)造圓形、橢圓形等，構(gòu)造由下向上逐漸減少的錐形系統(tǒng)的風(fēng)壓體系數(shù)小，有助于抵抗風(fēng)。另外，在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行平面布置時，適用于選擇結(jié)構(gòu)平面形狀和結(jié)構(gòu)剛分布均勻?qū)ΨQ的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)類型，大大降低風(fēng)荷作用下扭轉(zhuǎn)效果引起的結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力影響。

3、高層系統(tǒng)優(yōu)化法

建筑使用性能的差異，對內(nèi)部空間的要求不同。同時，如果高層建筑結(jié)構(gòu)的使用功能不同，平面配置也會發(fā)生變化。通常，住宅和酒店的客房等應(yīng)該采用小空間的平面配置方案的辦公大樓適合采用大小空間的百貨商店、酒店、展覽室、工廠現(xiàn)場等，適合采用大空間的平面配置的宴會廳、舞廳要求結(jié)構(gòu)內(nèi)沒有柱子的大空間。由于不一樣的構(gòu)造體系能夠出示的內(nèi)部空間尺寸不一樣，因此在建筑構(gòu)造設(shè)計階段，最先要依據(jù)建筑構(gòu)造的使用功能，挑選合適的構(gòu)造類型。

五、建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計措施是什么？

1、加強(qiáng)剪力墻的設(shè)計

剪力墻壁肢體的試驗研究也表明，軸壓比超過一定值，難以成為延性剪力墻。影響壓彎部件延展性或屈服后變形能力的因素有截面尺寸、混凝土強(qiáng)度等級、縱向配筋、軸壓比、帶量等，其主要因素是軸壓比和帶特征值。連肢壁由連梁連接的各壁肢連接而成，增加了壁肢的制約條件。梁的剛性增大會增大結(jié)構(gòu)的地震作用，梁和墻壁的分配內(nèi)力也會相應(yīng)增大，此時必須增大部件的筋量，這個設(shè)計結(jié)果必然會浪費(fèi)材料。

2、注重細(xì)節(jié)優(yōu)化

(1)在注重整體設(shè)計的同時，還要加強(qiáng)結(jié)構(gòu)部件的細(xì)致設(shè)計。例如，在現(xiàn)澆板的設(shè)計中，盡量將異形板分成矩形板，達(dá)到合理受力的目的，避免角落裂縫。

(2)底部框架抗震墻底部框架梁帶帶帶帶帶帶帶帶帶帶帶帶帶帶帶帶帶帶帶帶帶帶帶帶帶帶帶帶另外，為了減少底部截面，采用高強(qiáng)度混凝土是柱構(gòu)件的好選擇，但水平構(gòu)件混凝土適當(dāng)減少混凝土標(biāo)志，滿足力量要求，節(jié)約成本

(3)隨著計算機(jī)技術(shù)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計理論的結(jié)合，利用計算機(jī)分析軟件構(gòu)筑優(yōu)化設(shè)計的分析模型，采用高效的計算機(jī)優(yōu)化計算方法，構(gòu)造設(shè)計達(dá)到的目標(biāo)要求在具體的優(yōu)化設(shè)計過程中，優(yōu)化設(shè)計實際上從工程問題轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)學(xué)問題。

3、結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法的應(yīng)用

結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法和技術(shù)的應(yīng)用具體體現(xiàn)在房屋工程結(jié)構(gòu)整體的優(yōu)化設(shè)計和房屋工程分部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計兩個方面。其中住宅工程分部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計包括基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化設(shè)計、屋頂系統(tǒng)方案優(yōu)化設(shè)計、圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化設(shè)計和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計優(yōu)化設(shè)計。以上幾個方面的優(yōu)化設(shè)計還包括選擇、配置、受力分析、成本分析等內(nèi)容，在滿足設(shè)計規(guī)范和使用要求的前提下，結(jié)合具體工程的實際情況，以綜合經(jīng)濟(jì)效益為中心進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

4、結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法的實踐價值

在滿足建筑結(jié)構(gòu)長期利益的前提下，應(yīng)盡量減少建筑結(jié)構(gòu)近期投資，提高建筑結(jié)構(gòu)的可靠性和合理性。與傳統(tǒng)設(shè)計相比，采用設(shè)計優(yōu)化技術(shù)可降低建筑工程成本5%-30%。優(yōu)化技術(shù)的實現(xiàn)可以最合理地利用材料的性能，最好地協(xié)調(diào)建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部各單元，具有建筑規(guī)范規(guī)定的安全性。同時，它還可以為建筑整體方案設(shè)計做出合理，優(yōu)化技術(shù)是實現(xiàn)建筑設(shè)計適用、安全、經(jīng)濟(jì)目標(biāo)的有效途徑。