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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林普创

发表时间：2020/10/27 来源：《基层建设》2020年第19期作者：林普创

[导读] 摘要：施工便利、安全、经济、美观以及适用性是进行房屋结构设计时必须要考虑的五个基本要素，这就要求设计师在有限的资源和空间的前提下，通过应用结构设计优化方法和技术，实现建筑的造型优美、经济适用、高质量高品质等良好目标。

        身份证号码：45011119931108xxxx
        摘要：施工便利、安全、经济、美观以及适用性是进行房屋结构设计时必须要考虑的五个基本要素，这就要求设计师在有限的资源和空间的前提下，通过应用结构设计优化方法和技术，实现建筑的造型优美、经济适用、高质量高品质等良好目标。本文通过对建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的具体应用进行了研究和探讨，以期为今后的设计优化提供借鉴。
        关键词：建筑结构房屋结构设计优化
        1.引言
        随着社会的发展，人们对于建筑物的安全、适用等功能性要求更严格的同时，也对建筑物具有经济、美观与环保等个性化的特征提出了新要求。因此只有在房屋结构中广泛应用优化设计方法和技术，才能满足人们对建筑日益多元化、现代化的需求。本文通过对房屋结构中的设计优化理论进行阐述，进一步对建筑结构设计优化方式的具体应用情况进行分析，以期为今后的设计优化提供借鉴。
        2.建筑结构设计优化方法的理论价值及现实意义
        从建筑理论上分析结构设计优化方法，它主要体现在房屋工程分部结构的优化设计和房屋工程结构总体的优化设计两方面。房屋工程分部结构优化设计包括：基础结构方案的优化设计、屋盖系统方案的优化设计、围护结构方案的优化设计和结构细部设计的优化设计。对以上几个方面的优化设计还包括选型、布置、受力分析、造价分析等内容。进行结构设计时，应在满足设计意图后，尽量使平面布置规则，缩小刚度和质量中心的差异，这样水平荷载就不会使建筑物有太大的扭转作用。竖直方向上应避开使用转换层，减少应力集中现象。
        在满足建筑结构基本功能的前提下，尽量降低经济成本并提高建筑的可靠性、合理性是结构优化设计不断追求的现实意义，而一个优秀的设计往往是适用、安全、经济、美观和便于施工这五个方面的最佳结合。与传统房屋结构设计相比，采用设计优化方法则可以使建筑工程造价降低5％～35％，同时优化方法的应用可以使各单元构件之间在充分发挥材料性能并满足安全性能的前提下，达到最好的协调，发挥最佳力学性能状态。
        3.建筑结构优化设计方法在房屋结构设计中的步骤
        3.1正确建立设计模型
        （1）对设计变量合理的进行选择。首先统计整理在建筑设计过程中起到主要影响的参数，预定计算其中影响不大或者变动范围较小的设计参数，进而能够有效的减少设计过程中的工作量。
        （2）在结构的优化过程中，需要拟合一组能够满足相应的失效概率、几何尺寸以及钢筋横截面积的函数，在实际的应用过程中，借助这个函数能够有效的降低工程造价，为建筑生产单位获得更高的利润。
        （3）在进行结构模型的设计过程中，必须以房屋结构设计优化的详细数据为参考依据，确保设计的安全可靠性。对设计的约束条件主要有：应力约束、单位约束、尺寸约束以及结构约束等，在结构设计中，设计者需要按照结构设计的相关参数对目标进行约束，确保约束条件能够实现有效的结构优化设计。
        3.2优化方案设定
        在对房屋结构进行优化设计的过程中，建筑结构往往存在着多约束、非线性的问题，这些存在的问题往往会为设计者在设计时带来很大的挑战，因此，通过设定有效的方案，利用优化设计计算方案对这些问题进行求解，这样能够帮助设计者更好设计结构。
        3.3结果分析
        结果分析在建筑结构优化设计整个流程中也是十分关键的一个环节，在这个环节中，设计者需对方案进行合理的比选。对经济因素、设计因素综合考虑的前提下，分析方案的实用性和经济性，进而对建筑结构实现设计优化。
        4.结构设计优化方式的具体应用及分析
        4.1房屋建筑的整体性与局部性优化
        建筑设计一般都具有层次性和复杂性的特点。从层次性的角度讲，包括建筑物的整体设计体系、结构相关体系以及安装体系等，每一个单独的体系又包含了诸多下属体系。在进行房屋设计时，设计师要对每个下属体系相应的进行优化，突破横向关联性，实现工程的叠加性；复杂性主要表现在建筑材料、建筑零部件的选取等。因此在进行结构的优化时，必须从整体入手，才能实现真正意义上的整体优化。

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        4.2建筑寿命与阶段性优化
        在工程项目的寿命期内，对每一阶段的方案都要进行优化。房屋设计者通过考察各个阶段的特点，根据实际结果确定优化的方式，进而对工程的整体寿命进行优化。这样，不仅保证了建筑物的质量，又能提高建筑企业的经济效益。
        4.3基础方案优化
        基础的造价是整个建筑造价的重头戏之一，基础的选型是否合理，是否经济应是结构设计师首先关注的问题。基础方案优化的基本思路，首先一般情况下，天然浅基础肯定比深基础节约成本，因为天然浅基础施工难度小，质量有保证，施工进度快，故能采用天然基础尽量优先采用天然基础。深基础用得比较多的无非是桩基础，桩基础分为灌注桩和预制桩。灌注桩的质量在整体施工时难以较好的控制，混凝土量和钢筋量也比较多，而且操作程序较为复杂，操作周期长，因此在符合施工条件和沉降标准的前提下，尽量优先选择预制桩进行施工，时间和经济效益都是非常显著的。另外有一些项目做灌注桩基础的，可以改用CFG桩做地处理再加筏板或独立基础，如果能这样优化，那就是节约了一笔非常可观的成本费用，而且也大幅缩短了施工周期。此外对于一些采用桩筏基础的高层建筑，是否有必要采用满堂布桩加整体筏板基础亦是值得探究的地方，如果地质情况简单，沉降能满足要求，应优先考虑墙下或柱下局部布桩加小型筏板基础。总之基础方案的选择应该得到足够的重视，既安全又经济才是理想的选择。
        4.4对建筑主体上部结构进行科学性优化
        在进行房屋建筑的上部结构设计优化时，必须通过建立相应的模型进行系统优化。整个过程首要任务是合理的设置剪力墙，保证剪力墙整体质量的均匀，这样能将楼层中平面刚度的中心点与楼层整体的重心点重合在一起，进而能够减少地震或者风力对它产生的破坏。在房屋建设过程中，如果条件许可，对于剪力墙要尽可能的进行大开间的构造，加长剪力墙的墙肢长度，这样做不仅能够减少墙肢的数量，而且能在满足标准下减少混凝土的使用，节约成本。不仅如此，剪力墙里的暗柱的材料通常为一般性的钢材铸造，如果剪力墙的体积较大，这样就能相对减少钢筋的使用量，降低成本。然而，如果有的建筑本身不具备这样的条件，而且对于抗震有较高的要求，那么就不得构造过大的剪力墙。
        4.5结构优化与建筑优化保持协调
        在进行结构设计时，为了实现建筑物本身兼具结构和美观的合理性效果，所以设计时必须保证建筑物的整体结构与整体平面紧密配合。对于建筑系统来讲要保证简洁，墙体与支柱不能出现错位的现象，高度与横截面面积保持一致。在进行楼梯的设计时，对于转角区域来说，由于自身受力较大，所以要选择高强度的承重材料，方能更好的降低自重。对于整体来说，要保证重心、刚心和质心三者正确交叠，防止出现扭转的状况。
        4.6结构优化与排水系统优化保持协调
        在房屋建筑中，排水系统专用的房间中会有很多对于荷载能力以及强度要求较大的机械设备，所以要将设备放置在地下室，而且要保证管道的预留尺寸与深度符合设计标准。另外，在管道建设时，如果穿透了承重墙，就必须对墙体进行加固。在整体上尽可能地保证结构的设置与管道网相协调，预防管道出现绕梁现象。
        4.7结构与电气优化保持协调
        电气管线的安装是以导线的形式装在金属管体的外部或者墙体、楼板的地方。这样的安装会给预制的结构施工带来诸多的困难，所以要注意的是，一旦管线要想穿过梁体，要提前在梁体上预留孔洞，并且要确保梁体的宽度等同于墙体的宽度。如果出现不相等的情况，就必须让墙体的一面与梁体的一面相齐，保证管线不裸露在墙体表面。
        5.结论
        总之，随着建筑市场的发展，建筑结构设计的优化会越来越得到重视。在有限的资源和空间的前提下，实现建筑的造型优美、经济适用、高质量高品质等良好目标，才能满足人们对建筑日益多元化、现代化的需求，也是我们在实践中不断探索追求的。
        参考文献：
        [1]孙有果．结构设计优化技术在房屋结构设计中的具体应用探讨［J］．科技致富向导，2011．
        [2]王也.建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用［J.中华民居，2013．
        [3]万年春．浅论建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用［J］．城市建设理论研究，2013．
        [4]周汉杰．建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用［J］．中华民居，2014．