建筑结构优化设计的研究进展

建筑结构优化设计的研究进展

【摘要】随着国内建筑业的发展，人们对建筑的美观实用性的要求越来越高，就需要对建筑结构的设计进行优化。在现阶段建筑业市场竞争比较激烈，要满足一栋建筑的长远收益，就必需对这栋建筑使用结构优化设计方案，保证科学合理地实现更大化的市场收益。本文系统的综述了建筑结构优化设计的现状以及存在的问题。

【关键词】建筑设计；结构设计；优化方法

1 国内外研究现状

建筑结构设计优化技术在房屋结构设计中的应用，可以达到“物美价廉”的效果，不但实现了房屋的美观、实用，而且在节省造价方面也有突出的效果。每一个建筑商都希望，在满足建筑结构长远效益的前提下，最大程度地减少建筑结构的近期投资，同时保证建筑物结构的可靠度和科学合理性。如此，才能实现可持续发展，实现更多、更大的市场收益。

建筑结构优化，是工程结构能够满足约束的条件时按照预定的方案找到最优的设计方案。就是结合原来的设计方案、新的工艺和设备、新材料的投入，对局部的设计进行改变，不仅要满足技术和功能可行性的要求，还要节约材料使工程造价明显降低。要想结构做到优化，应该选择最优的最合适的结构设计方案，能够影响整个设计的成败。高层建筑结构设计在满足我国政策标准的前提下，在经过精确的计算以及分析后进行优化，必须遵循三个原则：①建筑结构必须能够正常的适用以及具有安全性；②建筑结构刚度要合理，特殊的位置要进行局部加强；

③结构构件若是能够减小，应该合理进行核减。

1.1 国外相关研究概况

自从20世纪60年代以来，世界各国对建筑结构设计的优化进行了大量的工作，对象涉及土木工程的各个方面，例如房屋结构、桥梁结构，以及一些特殊的建筑物，如搭架、烟囱等等。1979年Krishnamoorthy等人曾综述土建结构系统优化设计的情况，引用的文献多达216篇，还是不完全的统计，实际的数量还要更多，在优化理论及最优化计算方法的研究方面已经有了很大的发展，例如初期的数学规划方法以及后来崛起的最优性准则，近来两者又有结合的趋势。Goble 等曾对钢梁优化进行了系统的研究，还编制了公路钢桥的优化设计程序。Vachajitpan对钢梁最轻重采用了两阶段的优化方法。

1.2 国内相关研究概况

随着中国经济的进步和可持续发展的各种要求，结构的优化设计慢慢地被设计人员所重视，工程投资者也更加注重用较少的投资来换取更大的经济效益。

邹俊利用优化设计计算方法有复合型法、拉氏乘子法、Powell法等，在复杂的计算过程中，将有约束优化问题转化为无约束问题求解。

唐京华在基于实用与效果的建筑结构设计优化方法应用中对建筑优化是一个复杂的过程，从使用、安全、经济和整体效果等因素综合考虑，针对建筑部分结构的空间利用优化部分做出了具体分析。

云传锋通过对设计优化原则与高层住宅结构优化设计措施的分析，阐述了结构工程师不过分的依赖计算机程序和盲目的照搬规范，要用自己的结构设计的经验、设计概念和为业主与社会设计出更好的建筑。

李玉兰，崔振库通过对设计方案优化、基础及地基处理优化与材料的优化几个方向的分析，在符合国家规范的前提下，减少混凝土和钢筋等材料的用量，以取得较好的经济指标，从而达到最佳的设计效果。

王伟等研究了直接支撑大型设备的构件以及连接应计入大型设备产生的附加地震作用，此时附加地震水平作对其支撑构件产生很大的附加内力（弯矩、扭矩等等），结构设计师应引起足够的重视，并采取相应的措施，优化结构设计；对于动力机器可采用隔振措施，通过采用弹簧的隔振系统吸收振源的振动能量，达到减少和阻隔振动的目的；当使用SAP2000程序进行工业建筑结构分析计算时，可以利用其桥梁建筑模块，将吊车竖向荷载按车辆荷载的方式加载到结构当中。

唐纯能，熊源洲，刘孟良，余永华，谢芬芬，邓方荣，周阳等从多方面多层次分析了结构设计优化是结构工程师与其他多种工程师人员紧密配合的系统工程，要正确的运用结构软件，选择最佳的结构设计体系，运用科学的方法手段利用新兴技术，才能充分体现结构设计优化的价值。

柯砾阐述了使结构刚度适中、结构布置均衡、降低地震反应、减小结构或者构件在荷载与非荷载作用下的影响以及形变，才是结构设计优化所着重要考虑的目标。

刘伟简述了优化设计在实践中的应用，进行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等步骤，从而实现建筑结构设计的优化，最终实现了建筑产品的经济化、实用性和适用性的良好目标。

2 研究进展

2.1 小高层短肢剪力墙结构设计优化研究进展

刘礼联通过使用SATWE墙元来模拟剪力墙，采用静力凝聚原理将由于墙元的细分而增加的内部自由度消去，将其刚度凝聚到边界节点上，从而保证墙元的精度和有限的出口自由度，同时也降低了剪力墙的几何描述和板壳的单元划分难

度，并提高了分析效率。计算时将短肢剪力墙作为剪力墙而不是柱考虑要更合理。

阮志华短肢剪力墙结构由于结构布置方面的灵活性和较强的可调整性，使得其各项指标均比较合理，因而得到被广泛的利用。值得注意的是短肢剪力墙结构设计时，应区别于一般剪力墙结构，结合住宅的多种特点，使得结构刚柔适中，并运用抗震概念设计的原则，采取有效的抗震措施，注重细部结构的设计，从而做到安全、经济、适用。

2.2 高层框剪结构设计优化措施研究进展

潘伟峰通过三次优化设计，改善了结构的整体传力协调性，消除了超筋和抗剪不满足的情况，通过对整体进行考虑，对对称结构进行调整从墙肢厚底到连梁刚度，重视连梁与墙连接的框架梁对整体结构受力的协调作用，提高墙肢应力的有效均匀分配，提高扭转的规则性，达到调整的预想效果。

游敏英预埋管线特别是在多跟管线集中预埋处容易导致裂缝，当预埋管线直径与开间宽度较大，且管线的辐射走向出现重合时，易发生楼面裂缝。因此在对于较粗或者管线较集中处须设加强，增设抗裂短钢筋。

2.3 高层剪力墙结构优化设计研究进展

刘剑等通过三方面来展开研究：注重转换层结构设计，转换层本身的刚度和质量不宜过大，通过计算研究内力分配特点，调整内力和配筋设计，提高薄弱部位的性能；优化连梁设计，将连梁的刚度在内力计算之前进行折减，将连梁的弯矩和剪力的组合值在内力计算后乘上折减系数，调整后确保设计值不小于实际值；底部加强部位的设计优化，加强部位延伸到地下一层，同时按规范要求设置地下约束边缘构件。

3 存在问题

3.1 建立数学模型时涉及的问题

建立数学模型时因为涉及面比较广，如选定设计变量、选择目标函数、建立约束方程等，必须注意吸收工程经验，使得在现有条件下有解，并且得到的解容易在实际工程中应用，从而增加了设计的复杂性。

3.2 结构优化方法的问题

由于结构优化方法太多，对于一般的设计者不容易选准计算的方法，故而使得设计趋于复杂。

3.3 编制计算机程序及计算的问题

优化时需要编制大量的计算机程序，计算的工作量很大。