建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用黄德吉.docx

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建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用黄德吉

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摘要：建筑结构设计优化着力于使结构体系合理化和高新技术的应用，从而提高工程效益。本文以建筑结构优化设计的相关理论为基础，结合具体实例，主要研究了房屋结构设计中的基础和剪力墙的优化设计。

关键词：建筑结构设计；优化；房屋结构；应用

前言

建筑结构设计优化是指对结构方案、结构计算、施工图配筋等进行优化，将建筑物钢筋混凝土含量指标控制在最低水平，以实现项目利益的最大化。为了达到结构优化设计的目的，工程设计人员必须在保证结构安全和建筑功能的前提下，通过对建筑结构的整体概念分析，采用合理的优化设计理念和方法进行优化设计，以有效控制工程造价，满足投资方的经济性要求。

1.建筑结构优化设计的思路

传统建筑结构的设计方法，是先根据经验通过判断给出或假定一个设计方案和做法，用工程力学方法进行结构分析，以检验是否满足规范规定的强度、刚度、稳定性、尺寸等方面的要求，符合要求的即可用方案，或者经过对少数几个方案和方法进行比较而得出可用方案。而结构优化设计是在很多个，甚至无限多个可用方案和做法中找出最优的方案，即材料最省、造价最低，或某些指标最佳的方案和做法。同时相比较传统的设计方法，结构优化设计具有以下优点：

1）优化设计能使各种设计参数自动向更优的方向调整，直至找到一个尽可能完善的或最合适的设计方案。

2）优化设计的方法主要是数值计算的方法，在很短的时间内就可以分析一个设计方案，并判断方案的优劣和可行性。因此，其可以从大量的方案中选出更优的设计方案，能够加速设计进度，节省工程造价。

3）某些优化设计方法能够表示各个设计变量在目标函数中所占有“权”的大小，为设计者进一步改进结构设计指出方向。

概括来说，建筑结构优化设计的思路为：任何一个建筑结构的设计方案，都可以用若干给定参数和一些设计变量来体现，而设计变量随方案的改变而改变。这些设计变量所组成的维向量可用维空问的一个点来表示，称为“设计点”。规定必须满足的条件或其他特定条件称为优化设计的“约束”。满足所有“约束”的设计点称为“可用设计”。代表所有可用设计的那些设计点形成维空间的一个“可用域”。评比方案优劣的标准（如结构质量、造价等）是设计变量的函数，称为“目标函数”。也即是结构优化设计就是用一些力学和数学的方法，在“可用域”有哪些信誉好的足球投注网站目标函数最小（或最大）的所谓最优点，也就是最优设计方案[1]。

2.建筑结构方案优化设计分析

2.1结构优化设计的目标

保证结构的安全是结构工程师最基本的责任，设计需要从多个方面来保证结构的安全性。

结构设计的首要任务是选用经济合理的结构方案，其次是结构整体分析、构件及节点设计，并要求设计值在规范规定的安全系数或可靠指标内，以保证结构的安全性。

建筑结构设计的第二目标是经济。所谓结构设计的经济性，就是指以最低的成本获得最大的效用，这一目标对于建筑的可持续发展来说，是一条重要的、有效的、节约型的设计方式。

在建筑结构设计中，材料、工期、环境都是经济的要素。对于结构设计师来说，在保证安全的前提下，节约建筑材料是工程师所追求的目标，并且这种材料的节约与结构的安全度并无矛盾与冲突，通过减少不必要的浪费，能有效的降低结构设计的不合理性。

2.2建筑结构优化设计应注意的问题

随着一体化计算机结构设计程序的不断完善和全面应用，把结构工程师从繁重复杂的结构计算中解脱出来。工程师可以在概念、经验和估算的基础上借助计算机进行可靠的分析计算，经过多次计算比较和调整，使结构设计更加合理和经济。但在利用计算机设计程序进行结构优化设计时，要注意以下问题：

1）不能盲目依赖计算机。因计算软件的缺陷和设计人员不加分析地盲从而导致设计错误的现象时有发生，所以对用于结构设计的计算程序的基本理论假定、应用范围和限制条件以及程序与规范的结合一定要搞清楚。

2）对于输入的几何图形、构件尺寸、载荷数据等应认真核对、力求准确无误，避免因数据输入错误造成计算分析结果的错误或较大的误差。比如高层建筑标准层载荷数据的输入出现错误，其累加后对结构计算所产生的影响是不容忽视的，将导致计算结果要么不安全、要么不经济[2]。

3）对计算参数的选取要正确、合理。选取不同的计算参数会得出完全不同的计算结果，要根据实际结构的具体情况和计算程序的功能要求合理选取。

4）注意实际结构与计算模型的差异。所有的计算理论和设计程序都是建立在一些假定和理想的计算模型之上的，而实际结构的受力状态又是千差万别的，一味地依赖计算机或计算手册的计算结果进行结构设计会给结构留下较多的隐患，所以任何构件的计算都应根据实际情况确定结构的约束关系，并利用结构概念、工程经验对计算结果进行分析，判断其是否合理，以确保最终结构设计的正确。

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