淺析建筑結構優化設計

李家彬

【摘 要】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。結構師在保證安全性的前提下，當然應該敢于挑戰新的結構形式，使建筑師的意圖得以實現。在建筑結構設計的過程中，在基本滿足建筑師設計意圖的基礎上，平面布置應盡量規則，對稱，盡量縮小質量中心和剛度中心的差異；使建筑物在水平荷載作用下不致產生太大的扭轉效應。豎向布置上，在滿足功能要求的前提下，盡量使豎向承重構件上下貫通；能不使用轉換層的就應避免使用，以減小結構分析和設計上的困難，另外也不經濟，還容易造成應力集中；豎向剛度最好不要突變，而要漸變，否則突變處在水平荷載作用下會出現嚴重的應力集中現象，這對結構抵抗水平動力荷載是十分不利的。

【關鍵詞】建筑結構；優化設計；技術；分析

一、建筑結構優化設計的基本原則

1、保證結構安全，有合理的經濟性

結構設計的主要目標是實現結構足夠的豎向荷載及水平荷載的抵抗能力，使其具有良好的變形性能，耗能減震能力和抗震承載能力。在滿足結構安全耐用的 預訂目標的前提下，還應合理優化，使建筑通過合理的設計，減少材料的浪費，取得合理的經濟性。

2、提高建筑舒適度，最大程度滿足建筑使用功能原則

所謂優質的建筑，應從建筑、結構、裝飾裝修到給排水、暖通、空調、燃氣、電氣安裝等各專業的整體優化設計組合。如果僅僅是某個專業設計得好，是不可能被稱作是一個優質建筑的，結構設計也不能例外的。建筑結構設計要能最大程度地滿足建筑平面布置、內部空間高度和建筑立面等使用功能和外形觀感的要求。建筑在投入使用后，應使用戶在工作和生活中感到舒適，這才是建筑結構優化設計的出發點和落腳點。因此，建筑結構的優化設計應包含結構體系的科學性、構件布置的合理性、構件和材料選用的正確性等內容，以此提高建筑投入使用后的舒適度，滿足人們的需求。

二、建筑結構設計優化方法的應用

1、結構設計優化方法的應用。結構設計優化方法和技術的應用具體體現在房屋工程結構總體的優化設計和房屋工程分部結構的優化設計兩方面。其中房屋工程分部結構的優化設計包括：基礎結構方案的優化設計、屋蓋系統方案的優化設計、圍護結構方案的優化設計和結構細部設計的優化設計。對以上幾個方面的優化設計還包含選型、布置、受力分析、造價分析等內容，并應在滿足設計規范和使用要求的前提下，結合具體工程的實際情況，圍繞其綜合經濟效益的目標進行結構優化設計。

2、結構設計優化方法的實踐價值。筆者認為，在滿足建筑結構長遠效益的前提下，應盡量減少建筑結構的近期投資并提高建筑結構的可靠度和合理性。與傳統設計相比，采用設計優化技術可以使建筑工程造價降低5%～30%。優化技術的實現，可以最合理的利用材料的性能，使建筑結構內部各單元得到最好的協調，并具有建筑規范所規定的安全度。同時，它還可為建筑整體性方案設計進行合理的決策，優化技術是實現建筑設計的“適用、安全和經濟”目標的有效途徑。

三、建筑結構優化設計的內容

為了保證現代化的建筑能不斷滿足人們對建筑物的要求，同時提高建筑物的穩定性、安全性和可利用性?？梢詮囊韵聨讉€方面優化建筑結構。

（一）基礎拉梁的優化

當多層框架房屋基礎埋置較深時，可以在一定范圍內對基礎拉梁的位置進行設置以達到最優狀態，使基礎拉梁宜于按照框架梁進行設計，并且按照規定來設置箍筋加密區。當獨立基礎埋置較淺時，可以根據抗震要求，在兩個主軸方向上設置基礎拉梁?；A拉梁的尺寸也有一定的要求，一般橫截面寬度是柱中心距的三十分之一至二十分之一，基礎拉梁的高度不小于柱中心距的十五分之一?；A拉梁的頂標高通常要與基礎的頂標高相同。

（二）框架梁、柱箍筋的優化

不同抗震等級的框架梁和框架柱有不同的構造要求，其加密區的最大箍筋間距和最小箍筋直徑都有明確的規定。利用計算程序進行計算時將框架梁和柱箍筋的加密區間距設置為100毫米，計算出加密區的箍筋面積。在實際設計過程中適當地增加箍筋的直徑或者將箍筋間距適當的加密。

（三）獨立基礎設計荷載的優化

現代化的建筑物中，鋼筋混凝土結構的房屋越來越多，鋼筋混凝土多層框架房屋大多采用柱下獨立基礎形式。當房屋地基的受力范圍內沒有軟弱的粘性土層時，總層數在八層以內而且高度在24米以下的一般民用框架房屋可以不用驗算地基基礎的抗震承載能力，但在實際的設計過程中應該考慮風荷載的影響。在對以鋼筋混凝土為原料的多層框架房屋進行整體的計算分析時，必須要考慮到風荷載的影響，不能因為風荷載的影響不明顯就忽略掉這一部分。另外，在設計獨立基礎時，柱腳內力只取軸力設計值或者只取軸力與彎矩設計值，都會導致建筑物的基礎尺寸偏小，會影響基礎以及整個建筑結構的安全。

（四）地下室層數的優化

地下室也是某些建筑物不可或缺的一部分，對地下室的結構進行優化，有助于提升空間的利用價值。由于地下室的隔墻比較少，因此在設計過程中基礎形式常采用筏板式。在利用計算機對這一部分進行設計時，應該同時輸入地下室的層數和上部結構，這樣可以一次性計算出地基以及基礎底板的豎向荷載。同時可以利用現有的數據對層間側移剛度比進行分析，通過分析比較的結果，可以正確地判斷、調整房屋的具體嵌固位置，并且采取相應的措施來提高建筑結構的抗震能力。如果在建筑結構的整體計算過程中，輸入的地下室層數比實際的層數要少，會導致在發生地震災害時底層的柱底部位因為抗震能力降低而受到破壞。

（五）建筑結構計算參數的優化

利用計算機進行信息化處理，能較快捷地得到相應的計算結果，但對計算出的結果不能盲目使用，應該經過認真的分析判斷以保證其合理準確，才能將各種參數應用于結構設計中。一般來說，利用計算機進行計算的參數有建筑結構的自振周期、樓層的側向剛度比、柱底內力設計值、樓層地震剪力系數、墻和柱的軸壓比等。眾多的參數都是進行建筑結構設計的依據，因此，參數的準確性也影響了建筑結構的安全穩定性。為了分析判斷計算機計算出的結果是否合理，在進行相應參數的計算時，一方面要保證合理的結構方案，準確可行的結構計算簡圖，另一方面要根據建筑結構的具體特征，正確地填寫相應的場地類別，而且對于總信息中的各種參數要進行合理的選取。

四、城市高層建筑優化結構分析

眾所周知，當城市建筑物增高時，它的施工難度就會加大。例如當我們每升高一層建筑的時候，它的地基的承受能力就要加強一些，同時我也要注意到，當建筑的高度增加的時候，豎向荷載數值就會增大，也會影響連續彎梁的受力情況。在建筑高度增加的情況下，建筑物的高度會直接影響到建筑物基底的傾覆力矩，同時頂部的側向移動也會隨著高度的增加而增加。所以當我們升高建筑物的高度時候，就要參考建筑物結構分析和個體系相對應的方法，這樣在施工的過程中就會很安全。城市高層建筑還有一個難題，那就是當升高建筑物的高度時候，相鄰高層之間會影響到建筑采光等諸多問題，例如隨著建筑物高度增加，相鄰的高層的采光就會受到影響，比如說有的高層住宅小區，高層的三樓以下常常是等到中午才能有陽光射到房屋中，還有的是下午，這些問題都是實實在在存在的，我們在建筑結構優化設計的時候應當優先考慮，不能為了節約土地，就縮短高層建筑的間距，造成建筑采光問題出現。

結束語：

現代建筑結構的優化設計，深受開發商，業內人士認可。通過建筑結構優化設計，我們可以有效降低工程造價，節約建筑成本。這樣在節約了能源的同時，達到了預期的效果，滿足了現代人對于建筑物的諸多要求?，F代建筑結構優化設計給人們創造了方便、安全、舒適的生活環境。安全，適用、經濟、美觀已經成為人們對一個建筑的評價的指標。通過建筑結構優化設計，我們的建筑更美觀、更安全。建筑結構優化設計，帶來的經濟效益是相當可觀的。

參考文獻：

[1]班春旭.建筑結構優化設計的研究[J].科技與企業，2012，12（17）：89-90.

[2]原尊.建筑結構優化設計技術分析[J].中國房地產業，2011，8（3）：87-88.

[3]何飛平.淺析建筑工程中建筑結構優化設計[J].知識經濟，2011（11）：35.