淺談結構設計優(yōu)化技術

1、淺談結構設計優(yōu)化技術    摘要：隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人們對于居住條件及生活環(huán)境的要求不斷提高， 相應對建筑產(chǎn)品的品質要求也不斷提高，同時國家大力提倡建筑節(jié)能，這就需要我們利用結構設計優(yōu)化技術方法，提高有限空間、有限資源的最大化效果發(fā)揮，實現(xiàn)經(jīng)濟化、實用性和適用性的良好目標。本文就結構優(yōu)化設計方法應用及意義進行了簡單的探討，結合自身工作經(jīng)驗提出相關問題及看法。 關鍵詞：結構設計；優(yōu)化技術；新型結構；形式應用 中圖分類號： TB482.2文獻標識碼：A 文章編號： 0 引言 結構設計優(yōu)化技術就是在原設計方案的基礎上，結合新工藝和設備的使用，增加新材料的

2、投入，采用新型結構體系進行局部設計的改變，使技術更可行，更加滿足建筑功能要求，同時節(jié)約材料， 降低造價。從建筑上分析結構設計優(yōu)化方法， 它主要體現(xiàn)在房屋工程分部結構的優(yōu)化設計和房屋工程結構總體的優(yōu)化設計量方面。房屋工程分部結構優(yōu)化設計包括：基礎結構方案的優(yōu)化設計、 屋蓋系統(tǒng)方案的優(yōu)化設計、 圍護結構方案的優(yōu)化設計和結構細部設計的優(yōu)化設計。 對以上幾個方面的優(yōu)化設計還包括選型、布置、受力分析、造價分析等內容，在實施過程中，還應該按照一切從實際出發(fā)的原則， 結合具體工程的實際情況， 圍繞房屋建筑的綜合經(jīng)濟效益目標進行結構優(yōu)化設計。 一、結構設計優(yōu)化方法 進行結構設計時， 不同方案的選擇及不同的建筑

3、材料的選用對工程整體會有較大影響， 應在滿足設計意圖后，盡量使平面布置規(guī)則，縮小剛度和質量中心的差異，這樣水平荷載就不會使建筑物有太大的扭轉作用。豎直方向上應避開使用轉換層，減少應力集中現(xiàn)象。 （1）結構優(yōu)化設計模型 結構優(yōu)化設計模型就是在各種影響變量中選擇主要參數(shù)，并建立函數(shù)模型，運用科學合理的方法得出最優(yōu)解。 結構總體的優(yōu)化建立模型的大致步驟如下： 一是設計變量的合理選擇。通常的設計變量選擇對設計要求影響較大的參數(shù)，將所涉及的參數(shù)按照各自的重要性區(qū)分，將對變化影響不大的參數(shù)定為預定參數(shù)，通過這種方法可減少很多計算編程的工作量。二、目標函數(shù)的確定。使用函數(shù)找出滿足既定條件的最優(yōu)解。最后，約束

4、條件的確定。房屋結構可靠度優(yōu)化設計的約束條件，包括了應力約束、裂縫寬度約束、結構強度約束、尺寸約束、從正常時的極限狀態(tài)下彈性約束到終極狀態(tài)的彈塑性約束、 從可靠指標約束到確定性約束條件等。設計中，要保證各約束條件必須符合現(xiàn)行規(guī)范的要求。 （2）結構優(yōu)化計算方案 結構優(yōu)化設計多個變量、多個約束條件，屬于一個非線性的優(yōu)化問題，設定計算方案時， 常將有約束條件轉變?yōu)闊o約束條件來計算。常用的方法有拉氏乘子法、符合型法、Powell 等。完成計算方案的設定后只需編制相應適用的運算程序即可得到我們的最終優(yōu)化結果 （3）推廣設計標準規(guī)范和標準設計 工程設計標準規(guī)范的形成，來源于大量成熟的、行之有效的實踐經(jīng)驗

5、和科技成果，是科技轉化為生產(chǎn)力的必要途徑。 優(yōu)秀的工程設計標準和規(guī)范， 不僅優(yōu)化了設計， 減少設計的盲目性，還將大大提高設計速度， 有效降低項目的全壽命費用。 在標準規(guī)范中可以對一些重要的部位采取設計經(jīng)濟指標限額制度，對一些設計部位使用“宜”或“不宜”等引導性語言提示設計人員對方案進行優(yōu)化， 鼓勵他們在設計中大膽使用新工藝和新材料。 整體結構的科學性和合理性是新規(guī)范特別強調內容。新規(guī)范用于控制結構整體性的主要指標主要有：周期比、位移比、剛度比、層間受剪承載力之比、剛重比、剪重比等。新的建筑結構設計規(guī)范在結構可靠度、設計計算、配筋構造方面均有重大更新和補充，特別是對抗震及結構的整體性，規(guī)則性作出

6、了更高的要求。 二、結構設計優(yōu)化技術的實踐應用 結構設計優(yōu)化方法應用于實踐之中， 是目前一個比較廣泛的課題， 利用結構優(yōu)化的方法在不改變適用性能的前提下達到降低工程造價的目的。 結構設計優(yōu)化技術應用于項目的整體設計、前期設計，舊房改造，抗震設計等設計的各分部環(huán)節(jié)，發(fā)揮著巨大的效益。進行優(yōu)化設計，要把握好技術和經(jīng)濟的對立統(tǒng)一關系，既要反對片面強調節(jié)約，忽視技術上的合理要求的做法，又要反對設計保守浪費，只重技術，輕經(jīng)濟的思想。在按照結構設計優(yōu)化的方法及模型進行實踐的過程中，要注意下面的幾個問題。 （1）結構設計優(yōu)化應注意前期參與 結構設計的階段分為三個：結構方案階段、結構計算階段和施工圖設計階段。

7、概念設計是展現(xiàn)先進設計思想的關鍵， 結構工程師的主要任務就是在特定的建筑空間中用整體的概念來完成結構總體方案的設計，客觀、真實的理解結構的工作性能，并能夠有意識的處理構件與結構、結構與結構的關系，靈活地運用它們。因為前期方案的確定直接影響建筑的總投資， 而現(xiàn)在存在的普遍問題就是前期方案階段結構設計并不進行參與， 建筑師進行建筑設計時大多并不考慮結構的合理性以及它的可行性，但是建筑設計的結果卻直接對結構設計造成影響，某些方案可能會增加結構設計的難度，并使得建筑的總投資提高。如果在方案的初期，結構優(yōu)化設計就能參與進來，那么我們就能針對不同的建筑類別，選擇合理的結構形式，合理的設計方案，獲得一個良好

8、的開端。 （2）結構設計優(yōu)化應考慮采用新型結構體系 建筑工業(yè)化是我國建筑業(yè)的發(fā)展方向。 建筑工業(yè)化是在建筑標準化的基礎上采用先進、 適用的技術、 工藝和裝備，發(fā)展施工專業(yè)化， 提高機械化水平， 減少繁重、復雜的手工勞動作業(yè)。在目前建筑工業(yè)化的大背景下，實現(xiàn)建筑工業(yè)化首先應從設計開始，從結構入手，建立新型結構體系，包括鋼結構體系、預制裝配式結構體系，復合木結構建筑等。多層建筑應由傳統(tǒng)的磚混結構向預制框架結構發(fā)展，高層及小高層建筑應由框架向剪力墻或鋼結構方向發(fā)展。要使大部分建筑構件實行工廠化作業(yè)，減少施工現(xiàn)場作業(yè)。 （3）概念設計結合細部結構設計優(yōu)化 概念設計應用于沒有具體數(shù)值量化的情況，例如地震

9、設防烈度，因為它的不確定性， 計算式難免與現(xiàn)實有較大的差異， 在進行設計的時候就要采用概念設計的方法， 把數(shù)值作為輔助和參考的依據(jù)。 設計過程中需要設計人員靈活的運用結構設計優(yōu)化的方法， 達到最佳的效果。與宏觀把握相對應的，設計的過程同時要注意對于細部的結構設計優(yōu)化，比如現(xiàn)澆板中的異形板拐角處易出現(xiàn)裂縫，可劃分為矩形板。注意鋼筋的選擇，I 級鋼和冷軋帶肋鋼市場價格差不多，但是他們的極限抗拉力卻相差很大，所以在塑性滿足要求的情況下，現(xiàn)澆板的受力鋼筋就可選擇冷軋帶肋鋼筋。在做結構設計的時候，外立面上的懸挑板及配筋，滿足基本的規(guī)范要求即可，達到既安全又經(jīng)濟的目的。 （4）下部地基基礎結構設計優(yōu)化 地

10、基基礎的結構設計優(yōu)化首先要選擇合適的方案， 如果為樁基礎， 那么要根據(jù)現(xiàn)場地質條件選擇樁基類型，盡量節(jié)省造價。樁端持力層對灌注樁樁長的選擇影響很大，應多進行比較以確定最合適的方案。設計時應重視地質勘察報告的交底工作，選擇合理的基礎型式，選擇經(jīng)濟適用的方案能大大降低造價。 三、結構設計優(yōu)化的現(xiàn)實意義 （1）結構優(yōu)化設計提高材料利用率 對我國這樣一個發(fā)展中國家， 結構設計的目的即是花最少的錢做最好的建筑。 從優(yōu)化設計的角度， 結構性能最好的方案不一定材料利用率最高， 這就要求設計時對結構材料的充分利用，同時也強調使用各種新型建筑材料，如預應力混凝土結構、鋼-混凝土結構等。其中鋼管混凝土結構是將混凝

11、土填入薄壁圓形鋼管內而形成的一種新型結構， 它將兩種材料有機地結合，可借助內填混凝土增強鋼管壁的穩(wěn)定性，借助鋼管對核心混凝土的套箍作用，使核心混凝土處于三向受壓狀態(tài)， 從而具有更高的抗壓強度和抗變形能力。 它的出現(xiàn)使傳統(tǒng)意義上的受壓破壞特征由脆性變?yōu)檠有裕?對結構抗震的延性設計意義巨大， 也使超高層建筑底層柱的軸壓比限制問題迎刃而解。 鋼管混凝土與鋼結構相比， 在自重相近和承載力相同條件下，可節(jié)約鋼材近 50%，并節(jié)約大量的焊接工作量。與普通混凝土相比，在保持鋼材用量相近和承載力相同條件下，構件截面面積可減少約 50%，材料用量和構件自重相應減少約 50%。實踐證明在結構設計時，使用這些新工藝

12、設備可大大提高材料利用率，降低工程造價。 （2）進行結構設計優(yōu)化提高建筑結構經(jīng)濟性 建筑的層高增加，由于墻體面積和柱體積增加，結構的自重會增加，基礎和柱的承載力相應增加，水衛(wèi)和電氣的管線會加長；相反降低層高，可節(jié)省材料，有利于抗震，同時建筑的總高度減小，兩建筑之間的日照距離就會減小，間接的節(jié)約了用地。建筑面積相同，建筑使用不同的平面形狀時，它的外墻周長也就會不同，這樣當選擇圓形或是越接近于方形時，外墻周長系數(shù)就越小，基礎、外墻砌體、內外表面裝修都隨之減少，同時其受力性能也得到提高，增強了建筑的經(jīng)濟性能。與傳統(tǒng)的結構設計相比， 采用結構設計優(yōu)化方法可以使建筑工程造價降低 6%-34%.優(yōu)化方法的技術性實現(xiàn)，可以最合理的利用材料性能，使建筑結構內部各單元得到最好的協(xié)調。賞心悅目的建筑是建筑的美觀與結構設計相互協(xié)調密切配合的結果。建筑結構設計追求適用、安全、經(jīng)濟、美觀和便于施工五種效果，而建筑結構設計優(yōu)化技術方法的應用不但滿足了建筑美觀、造型優(yōu)美的要求又能使房屋結構安全、經(jīng)濟、合理，成為實際意義上的“經(jīng)濟適用”房。 參考文獻 1談建筑結構