浅析建筑工程中建筑结构优化设计

浅析建筑工程中建筑结构优化设计

发表时间：2016-08-11T11:53:12.320Z 来源：《工程建设标准化》2016年6月总第211期作者：姚黎明吴新华[导读] 为此，科学地确定建筑结构优化设计几项基本原则并有效地按照这些基本原则去进行建筑结构设计，是非常重要的。姚黎明吴新华

（湖州市城市规划设计研究院，浙江，湖州，313000）【摘要】结构优化设计是在满足规范要求、保证结构安全和建筑产品品质的前提下，通过合理的结构布置、科学的计算论证、适度的构造措施，充分发挥材料性能、合理节约造价的设计方法。结构优化设计在当前竞争日益激烈的建筑设计市场成为大势所趋。

【关键词】建筑工程；建筑结构；优化设计结构优化设计不应仅仅在结构本身，而是应包括建筑的各方面。为此，科学地确定建筑结构优化设计几项基本原则并有效地按照这些基本原则去进行建筑结构设计，是非常重要的。

一、建筑工程结构优化设计方法

1．工程结构优化设计目标分析法工程结构优化设计目标分析法是将待优化的工程结构设计作为准确目标，针对影响目标设计的不同因素进行分析，并对这些分析所得结果进行规律整合，依据此规律来对结构设计进行优化，达到实现优化的最佳效果，进而使工程整体结构最优化。这种方法的特点就是抓住工程结构优化目标，分析工程结构问题关键所在，极具针对性，最终能达到建筑结构整体最优化的目的，通常能有效的解决相关问题。

具体表现为结构体系与布置的优化，比如应根据建筑布置、高度和使用功能要求选择经济合理的结构体系；选择比较规则的平面方案和立面方案；选择合理、均匀的柱网尺寸，使板、梁、柱、墙的受力合理等。这些都是从宏观上整体上的优化。

2．工程结构优化设计问题分解法通常工程结构出现或大或小的问题，其中大问题一般不易处理，而如果将工程结构设计的优化问题分解成相对较小的次问题，如框架梁、柱、基础等问题，分步处理，这样条理更加清晰，也可靠易解决的多。优化过程分成两步处理，第一步就是对各个小问题进行优化处理。根据不同类型的结构如梁、柱、基础等问题的特征，针对这些问题分别采用不同的处理方法。第二步就是对这些小问题构成的大问题进行优化处理，对小问题的优化方法进行针对调整，重复几次，这样就能得到最有效的处理方法。这种方法的优化过程具有不错的针对性，严谨性，且能提高效率。具体表现为材料的优化、荷载的优化、设计参数的优化等，这些优化是从微观的、局部的角度出发的。

二、优化建筑结构设计的方法

1．优化设计钢筋混凝土框架结构目前通常采用准则法进行优化设计钢筋混凝土框架结构。开始依据以往经验设计建筑结构的初始截面，采用有限元法对各种情况下的建筑结构整体进行内力分析；接着将结构拆分成单独的梁，柱等构件，根据不同的受力情况，进行分步优化。但是，需要根据不同的实际情况，采用相应的方法进行优化设计钢筋混凝土框架结构。此外，根据对抗震等级不同要求的框架，我们需要适当增加箍筋直径或者加密箍筋与框架梁的间距。通常情况下，工程习惯常取加密区的箍筋与框架梁的最小间距是100mm，非加密区两者的最大间距为200mm，并以此为依据计算出加密区的截面面积，再根据相应规定来确定箍筋直径和肢数。但在设计非加密区柱梁的配筋时得考虑相应的实际情况。

2．优化基础设计

基础造价占结构造价比重最大，基础的节省将对整个工程造价的降低起决定性的作用。基础设计的关键是合理选择基础形式。一般的，低层住宅优先考虑浅埋天然基础，多层住宅优先考虑沉降控制复合基础，对于深埋独立地下室，可考虑采用补偿式基础。设置地下室时，对地下室的埋深、抗浮水位、桩型、底板顶板结构形式、侧墙设计、基坑围护等内容应进行充分比较和科学验证，尽可能用科学合理的方法节省造价。地下车库顶板常用结构型式有大跨梁板、十字梁、井字梁、柱帽无梁楼盖、预应力有／无梁楼盖、空心楼盖等几种；底板常用结构型式有“承台+底板”、“承台+地梁+底板”等几种。应根据建筑、荷载和场地条件进行多方案技术经济性比较后再选择最合理的方案。

3．优化框-剪结构的剪力墙

除了建筑强度以外，建筑的变形适应能力是影响高层建筑地震时安全问题的另一大因素。而如何控制好建筑结构的适应刚度以及侧向位移是我们面对优化建筑结构抗震设计的两大难题。如果剪力墙的刚度较大时，导致房屋的自振周期减小，造成了地震载荷也随之增大；但如果剪力墙刚度较小时，就达不到抵抗地震载荷的意义。因此如何合理地选择剪力墙的刚度，使得它具有最小的抗侧向位移刚度，是我们必须解决的。通常，剪力墙的布置宜规则、均匀、对称，以控制结构扭转变形。在满足规范和计算的前提下应尽量减少墙的数量，限制墙肢长度，控制连梁刚度，剪力墙能落地的就全部落地不做框支转换层，平面能布置成大开问的尽量布置成大开间，墙体的厚度满足构造要求和轴压比的要求即可。连梁刚度太大时可通过梁中开水平缝变成双梁、增大跨高比等措施降低连梁刚度。尽量少用短肢剪力墙，限制“一”字墙，少做转换。

4．优化框-筒结构的尺寸

框-筒结构是当前大多数高层建筑采用的一种结构方式，其优点是平面设置比较规则，建筑空间较大，抗侧向位移强度较高。根据资料以及相应实验表明，风载荷是非地震区域和沿海区域高层建筑主要承受的侧向载荷，而在框-筒结构中，筒体大约承载了7/10的风载荷，其主要目的就是承载水平侧向力。一般来说，风载荷与建筑层的高度息息相关，是随高度变化而相应变化的，但在实际运用中，通常选择将建筑物的高度分成若干个点来计算风载荷，按照不同的规格要求及建立数据模型，构建最佳的筒体高度和厚度，从而实现风载荷作用下的尺寸最大优化。

5．优化结构计算中的重要参数建筑结构的计算要求十分严谨，这就要求所有的计算结果需要得到分析，并且判断其结果的合理性，确认有效才可应用于工程设计。结构的自振周期、楼层抗震剪力系数、弹性侧向位移、柱底内力设计值等等重要参数都需要经过计算机计算得出。为了分析这些重要参数的合理可靠性，除了正确的结构计算图、合理的结构方案、正确填写相关信息等等，如何合理选取计算机计算得出的信息中的各项参数也是十分重要的。这就要求我们设计人员深刻理解规范条文的要求，明确结构的受力情况，这样得出的相应参数，才能有效合理应用于工程设计，保障了建筑本身的安全性。