工程结构优化设计基础十篇

工程结构优化设计基础篇1

关键词：房屋结构；设计；优化技术；实践应用

一?房屋结构设计优化的内容及其意义

当前，我国经济快速发展，人们对居住条件及生活环境要求越来越高，而对建筑房屋进行优化设计，使其结构与美观相互协调、同时适用、安全、经济以及便利是改善人们居环境方面重要手段。房屋结构设计优化理念注重以实际为准则，根据工程建设的基本状况，以计划成本为控制为中心来进行的结构优化设计，其内容就是利用对建筑基础的结构、屋盖系统的结构方案以及围护系统结构方案等环节，建立起一种关于结构优化设计的模型，通过对各种不同的影响变量参数中的若干关键参数的科学的计算，确立最终的建筑工程结构设计的优化结果方案。房屋建筑结构优化设计意义重大，一是大大提高建筑结构经济性，房屋建筑进行结构设计优化可节省材料，有利用抗震，减少内外表面装修，提高了其受力性能，增强了建筑的经济性能。二是结构优化设计大大降低了建筑工程的总成本造价。节约用地，大量资料表明，，房屋建筑进行结构设计优化能够有效降低工程成本造价25%左右，同时结构优化设计技术能够对施工材料的性能利用更加合理化，能够让建筑工程结构内部各个不同单元之间更加充分互协调，提升了建筑工程结构设计的经济性。

二?房屋结构优化设计技术应用

房屋建筑结构设计优化技术实践应用是当前建筑业非常关注的一个课题，目的在通过结构优化设计技术逐步改善房屋建筑的使用性能的基础上，提高经济性，大力降低工程成本造价。在某个建设工程项目中，结构优化设计技术主要应用于项目规程的整体设计、前期设计以及抗震设计等各个分部阶段环节，应用广泛，其发挥的效能也十分明显。

（1）房屋建筑结构在设计中应遵循结构设计规范

房屋建筑结构优化设计的目的是追求适用、安全、经济、美观以及便利施工，因此，房屋建筑结构优化设计不但要求结构设计工程师有丰富的设计经验，也同时也要要对房屋建筑结构规范的条文有较为详细的了解，在房屋建筑结构设计规范的基础上，能够把自身的结构设计方案科学的融入到整个项目工程中。对于一些大面广的工程中，某些条文规定不可避免的的偏于保守，同时，也有些条文对一些特殊、复杂工程的设计工程条文安全性不足。因此，房屋建筑结构工程师在优化设计中，应该充分利用扎实专业知识与丰富的经验，对上述问题做出科学与正确的判断，从而能够把握设计，使设计成果逐步优化，不断创新。

（2）房屋结构工程师要积极主动参前期工程规划

房屋建筑结构工程师要积极主动参前期工程规划是实施结构优化技术的重点内容。因为，在在实际施工中，房屋建筑结构工程建筑师难以把握对结构体系的受力的正确分析，相关房屋建筑结构工程师要积极主动地参与前期方案设计，帮助建筑师构思与逐步创新，使整个建筑的优化功能能够全部体现出来。

（3）涉及到房屋结构设计的各个专业应该相互协调与合作

房屋建筑结构优化是一个复杂性的系统工程，涉及到的专业也很广，各个专业必须相互协调与配合。依据建筑学发展角度出发，现代建筑是综合性产品，包括建筑、结构以及设备等要素。因此，房屋建筑工程在工程实施中，应该大力加强分工与合作，将各个构成要素进行充分有机结合，为打造出完美的作品夯实基础。在房屋建筑工程项目设计中，最重要的环节是建筑设计与结构设计，只有将这两个环节充分结合，房屋建筑工程的实用美观大方效果才能充分体现，同时，房屋的建造结构受力更趋向合理性，大大降低了成本，简化了施工。但在建筑设计中，一些许建筑设计人员不遵循建筑的基本力学规律，过于注重设计方案创作的新奇性，导致这房屋建筑结构出现一些后遗症，因此，房屋建筑结构优化必须通过强化各个专业的合作与协调，才能够实现结构合理，成本降低。

（4）房屋结构优化设计要将概念设计结合细部结构进行设计优化

概念设计即是利用设计概念并以其为主线贯穿全部设计过程的设计方法，是通过设计概念将设计者繁复的感性和瞬间思维上升到统一的理性思维从而完成整个设计。但是概念设计应用于没有具体数值量化的状况时，计算式不可避免与实际出现较大的差异，譬如在地震设防烈度就没与不确定性，计算式与实际差别较大，因此，房屋建筑结构在优化设计中，通过采用概念设计的方法，将数值作为辅助和参考的依据，同时设计人员在设计过程中还需灵活运用结构设计优化的方法。在整个设计过程中贯穿一种抗震设防的思想且以概念设计作为重点指导设计。同时在设计的过程中，注重优化细部的结构设计，譬如现浇板中的异形板拐角处易出现裂缝，可划分为矩形板。在选择钢筋型号时，充分考虑其极限抗拉力等。

（5）房屋结构优化设计要充分考虑下部地基基础结构设计

地基基础是建筑结构设计的重要组成部分之一，地基基础虽然埋置在地下，属于隐蔽工程，但其重要性不言而喻，建筑物的高度与安全性等受地基基础影响很大。因此，房屋建筑结构中的地基基础的结构设计优化必须选择合适的方案，譬如属于桩基础，就要依据现场地质条件，综合其他现场场地的条件因素进行基础选型及埋深等设计，选择桩基类型，最大程度的节省造价。

三?结语

总之，房屋结构设计中优化技术是复杂的系统工程，不但需要相关结构设计工程师正确地使用结构分析软件、选择最佳结构体系，同时，要大力挖掘基础设计内在潜力，充分运用科学的方法与手段，大力降低工程建设造价，让房屋结构优化贯穿整个设计过程，从而体现出结构优化的价值，让房屋结构设计功能不但更加适人们居住与生活，同时，大力提高其安全度与抗震性能。

参考文献：

[1]张红友.优化结构设计减少建筑投资成本[J].?陕西建筑，2008(11).

[2]马臣杰，张良平，范重.优化技术在深圳京基金融中心中的应用[J].?建筑结构，2009(4).

工程结构优化设计基础篇2

【关键词】框架-剪力墙；结构；优化设计

中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：

1工程概况

某高层建筑由5层裙楼和a、b两栋高层组成，a楼为20层，高76m，b楼为30层，楼高114m，地下两层。总建筑面积约5.6万m2。本工程采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构，建筑结构的安全等级为二级。地震基本烈度为7度（0.1g，第二组，特征周期0.4s），抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为7度（0.1g，第二组）。地基基础设计等级为乙级。上部结构和负一层的框架抗震等级为二级，剪力墙为二级结构，负二层的框架抗震等级为三级。基本风压：Wo=0.35kN/m2，地面粗糙度为B类。

2框架-剪力墙建筑结构优化设计分析

高层框架剪力墙结构体系中，主要是水平荷载作用下，框架和剪力墙内力分配设计，其中剪力墙的设计位置和数量就是关键。

2.1钢筋混凝土框架结构的优化设计

在结构整体内力分析完成后，根据梁柱各构件的控制内力进行截面的优化设计，确定满足荷载效应水平要求的各结构构件的几何特征的配筋量的优化结果，由此导致原结构的几何特征和荷载特征的变化，优化结构在现荷载作用下内力分布特征发生变化，各控制截面的控制内力也发生相应变化，据此进行下一步的优化设计。因此，结构优化就是一个不断迭代、渐进的寻优过程。

2.2结构最优设防的选择

在预测地震烈度概率分析的基础下，使用专业地震安全评价报告的数据，采用模糊综合评定分析法计算结构的模糊延性向量和模糊抗震强度，损失等级概率和震害损失的概率预估期望值，在满足最大投资期望和最大损失约束条件下，求出最优地震设防烈度值。

2.3框架与剪力墙协同工作，承载力、刚度、延性能力的最佳匹配设计

剪力墙结构的设计主要是结构刚度和结构延性的最佳组合。结构刚度对结构的主要影响为结构的自振周期和侧向位移，结构延性对结构的影响主要为保持承载力能力的前提下的变形能力，因此可以采用结构整体的侧向位移量来协调结构的刚度和延性，按规范对层间位移量和顶点位移总侧移的限值来控制结构的刚度和延性设计。

2.4框架-剪力墙结构的优化设计

框架结构优化设计的原则就是结构优化的原则，通过一次性完成的结构件，逐步优化各个构件，以达到结构受力合理，节约投资的目的。

2.5基础优化设计

（1）主楼和裙楼的基础分别设计，根据勘查要求，主楼采用筏板基础，裙楼采用独立基础，基础底板或桩基承台要按照经验和计算结果设置，不得随意增加厚度或加大钢筋。例如在地下室基础的初步设计工作中，原初步设计地下室基础拟全部采用筏板基础，经审核计算后，提出纯地下室基础部分采用独立基础加抗浮底板及抗浮锚杆的做法能做到节约钢筋、混凝土。同时保证结构安全，施工简便，能达到更加节省工程成本目的。因此对纯地下室基础

采用独立基础加抗浮锚杆、底板方式设计施工图（图1）。

【图1】独立柱基础剖面图

（2）对地下室有防水要求的基础底板，裂缝宽度可控制为0.2mm；地下室顶板及外墙，要求荷载取值准确、有些荷载可根据实际情况选用，不得累加。

（3）作为塔楼的嵌固端，地下室的顶板不宜太薄，在覆土不太厚的情况下，采用十字梁较好，在覆土较厚时，采用井字梁较宜。

（4）依据地质勘察报告，基础持力层为中密卵石层，a、b栋塔楼采用筏板基础，裙楼基础采用独立柱基础加抗水底板，裙楼和纯地下室部分采用抗浮锚杆。

2.6强化“强柱弱梁、强剪弱弯”设计理念框架结构的柱、剪力墙设计要引起重视，要加强设计；而梁和板的配筋不宜调大，梁的设计变量主要是截面高、宽及纵向受拉钢筋的截面积和架立钢筋的截面积，优化设计主要针对以上设计变量进行优化，因此梁的截面尽量按正常值取定，少做宽扁梁，配筋率也应控制在1.5%左右，次梁的箍筋宜分为加密区和非加密区。

2.7楼板优化设计

考虑到楼板要预埋管道的要求，楼板较薄时施工容易造成裂缝，因此楼板设计时采用弹性假定，不采用塑性假定设计，计算楼板厚度、配筋的折减等，精心配筋。最小配筋率取0.2和0.45ft/fy中较大值相同板厚时混凝土强度等级低、钢筋强度大时，最小配筋率低，故优先采用三级筋；板中抗裂钢筋（分布筋）最小配筋率为0.1%，当120mm厚板时，可用Ф6@150；尽量不用大跨厚板。

3优化设计效果

为验证设计优化的有效性，分析结构设计的初步方案，采用工程所在地的市场价格。本工程的最终优化的结果为：节约钢筋65t，节约资金约32万元。

4钢筋混凝土结构优化设计要点总结分析

除了工程实践中所分析优化设计方法外，总结出以下几点关于框架-剪力墙结构优化设计要点：

（1）分散：剪力墙的布置应考虑地震力分散作用于刚度大致相等的多片剪力墙上。因为如果地震力集中作用到一两片刚度很大的剪力墙上，会造成墙体内力很大，截面设计困难，且主要受力剪力墙一旦破坏后，其余较弱剪力墙和框架很难额外负担起该剪力墙传来的很大地震力，以致出现破坏。

（2）均匀：同方向的各片剪力墙不要集中于某一区段内，以防止因楼盖过大的水平变形导致地震力在各框架间的不均匀分配。

（3）周边：剪力墙尽可能沿结构平面的周边布置，以获得结构抗力的最大水平力臂，充分提高整个结构的抗扭转能力。

（4）一般情况下，剪力墙布置在竖向荷载较大处，平面形状变化处或楼盖水平刚度剧变处、楼梯间、电梯及管道并。纵向剪力墙不宜设置在独立结构单元的两端，以免纵向框架梁和楼板因受到变形约束的区段过长而产生较大的收缩和温度应力。

（5）剪力墙的门窗洞宣上下对齐，形成明确的墙肢和连梁，不宜采用错洞墙。剪力墙的布置对结构抗侧刚度有很大影响，剪力墙缘高度不连续，将造成结构刚度突变，故尽量不设转角窗；无法避免时，应在转角处采取增大墙厚、板厚及设暗梁等加强措施，以保证相邻楼层刚度的减弱不宜大于30％。

（6）剪力墙的位置设置要保证足够的刚度，结构平面应布置一些短肢剪力墙，形成短肢剪力墙与一般剪力墙共同抵抗水平力的剪力墙体系。

（7）轴压比也是剪力墙设计的一个重要参考指标，当其太小时说明没有充分发挥材料的力学性能，应减少布置一些剪力墙。

除了所述以上要点外，钢筋混凝土结构优化还需以先进设计理念为指导，借助先进的建筑结构设计软件，融入科学的结构设计优化流程，从整体上提高钢筋混凝土结构建筑优化设计水平。

参考文献：

[1]周宏庚，姜巍。基于ANSYS的剪力墙水平承载力特征值计算模拟[J]。工程建设与设计，2012，(11)。

[2]魏琏，刘畅，王森，陈军，姚永革，何子文。某超限高层框支剪力墙结构动力和静力弹塑性分析[J]。建筑结构，2012，(11)。

工程结构优化设计基础篇3

关键词：结构优化设计的方法、基础优化设计，现实意义

Abstract: in the building structure design, the choice of different design, and choose different kinds of building materials of engineering cost will be produced great influence, so the structure optimization design scheme is particularly important, this paper mainly expounds the structure optimization design method, as well as to the need for the main part of the optimization design was analyzed, and puts forward the structure optimization design of practical significance.

Key words: the structure optimization design method, on the basis of the optimization design, the practical significance

中图分类号：TU318文献标识码：A文章编号：

开发商只有不断寻求新的手段才能满足消费者的需求，因此降低工程造价就成为开发商首要的追求目标了，要实现这个目标就需要利用结构设计的优化设计方法，来提高有限空间的利用率，使有限的资源发挥更大的作用。

一、结构优化设计的方法

一个优秀的建筑不仅仅是美观与优化结构设计的紧密配合，更是满足了人们对房屋结构安全性能、经济性和设计合理的要求，所谓的结构优化设计方案，就是结合原来的设计方案、新的工艺和设备、新材料的投入，对局部的设计进行改变，不仅要满足技术和功能可行性的要求，还要节约材料使工程造价明显降低。

1、建立结构优化设计的模型

结构优化设计是在各种变量参数中选择主要的参数，并为其建立函数模型，运用合理科学的方法计算出最优解。建立优化结构模型的步骤大致如下：一是，选择合理的设计变量。因为各种设计变量的选择对设计要求的影响是比较的大，在设计的过程中可将所涉及到的变量按照其自身重要性进行区分，将一些变化不大的参数定为预定参数，通过此项工作能减少计算和编程的工作量。二是，确定目标函数。房屋结构可靠度优化设计的约束条件，包括了应力约束、裂缝宽度约束、结构强度约束、尺寸约束、从正常时的极限状态下弹性约束到终极状态的弹塑性约束、从可靠指标约束到确定性约束条件等。①在设计的过程中，要保证各种约束条件必须符合要求，找到满足条件的最优解，并确定约束条件。

2、选择结构优化计算方案

结构优化设计是个非线性的优化问题，在设计中涉及到多个变量和多个约束条件，设定好计算方案，通常是将约束条件变为无约束条件来计算。拉式乘子法、复合型法和POWELL等方法是常用的计算方法，在完成了相应的计算方案后再进行编程运算即可完成最终的优化设计结果。

二、需要进行优化设计的主要部分

在建筑结构优化设计中，不同方案和不同建筑材料的选择对工程的造价都会造成不同影响，尤其是在基础类型的选用、开间的确定、层高与层数的确定以及结构形式选择等方面都有着重大关系。据统计，在满足同样功能的条件下，经济合理的优化设计可以使工程的造价降低10%左右。基础、柱、墙体、楼板、梁、屋面板等是建筑结构的主要组成部分，这几个部分在工程造价中所占的比例也不相同，结构优化设计时对工程的造价影响也不相同，所以在优化方案设计过程中的侧重点也不尽相同。

1、对基础结构的优化设计

基础结构在整个工程工期的1/4左右，并且基础造价也占到总造价的10%-20%，所以基础工程结构的重要性也是显而易见的。而且基础结构工程的造价还与地质条件是密切相关的，设计时对地质勘探报告要求也是极高，选择合理的基础形式、控制好基础的截面尺寸和埋深，能相对减少基础结构在总工程造价中的费用。

2、柱网布局和柱子截面的优化设计

柱网布局决定柱子的开间和跨度（纵向或横向相邻的两个柱子的间的距离），柱网的尺寸一般来说在6到12米之间，如果柱距小那么其传力路线就短，上部结构的材料就能节省，但是这可能使基础费用偏高，所以说柱网布局是否合理，对工程的造价有很大的影响。另外，柱子的截面形状和尺寸对工程造价也有着直接的影响，所以合适的柱网布局、柱子截面的形状及尺寸的选择对工程造价的影响是很明显的。

3、梁的优化设计

在结构设计时通常采用矩形截面梁当做受弯梁，但是这种情况下材料的利用率较低。因为，首先，在靠近中和轴附近的材料的应力较低，再者，梁弯矩会沿梁长变化而变化。由于截面梁大部分区段的应力较低，材料都不能得到很好的利用，要想提高材料的利用率，在设计时可采用平面桁架来代替矩形梁，此时平面桁架就相当于掏空梁，掏去了梁中多余的材料，减轻了其自身的重量，这样既经济又实用，大幅度地提高材料的利用率。

4、结构构件配筋计算的优化设计

在计算建筑物构件尺寸及配筋的过程中，多次反复调整构件尺寸并进行计算，从中总结出最优化的结构尺寸，使得在一个固定荷载常数下，得到最为经济的计算结果。计算结果应满足两个重要的指标：a、计算结果应首先确保结构的安全性，这是重中之重。b、在满足安全的前提下，使配筋量大致控制在结构计算配筋的范围内，使得构件内的钢筋量切实地发挥其受力作用，而并非作为仅仅起到支架作用的构造配筋量。经本人粗略统计，采用此法设计，可以使得最终钢筋量控制在首次计算结果的80%至90%左右。

三、结构设计优化的现实意义

1、降低工程总造价

在进行结构优化设计时，高层与多层住宅相比，层数明显更多，这样总建筑面积也就增大了，单位建筑面积占用的土地面积就越小，从而节约了用地成本，但建筑层数的增多，建筑物的总高度也会加大，这就需要增大楼与楼之间的间距，这时所占土地量的节约就与建筑层数增加不成比例了，因此合理计算单位占地面积在降低总成本中显得更为重要。另外，在高层中一栋楼只有一个屋盖，这并不会因为层数的增加而改变，所以它的成本会有比较明显的下降。

2、提高建筑物结构性能的经济性

由于建筑物层数的增加，使得墙体面积和柱体积总面积有所增加，结构的自重会有所增加，这样基础部分和柱的承载力也会相应地增加，水、电、暖的管线就会加长；相反如果降低层数，就可以节省材料，提高抗震能力，同时由于建筑的总高度有所减小，两建筑之间的日照距离也会减小，这样就间接地节约了用地。在建筑面积相同，建筑物采用不同形状的平面时，它们外墙的周长也不相同，这样当选择圆形或是越接近方形时，外墙周长系数是越小的，从而使得基础部分、外墙砌体、内外装修表面都会随之减少，同时其受力性能也将得到大大的提高，也就增加了建筑的经济性。

四、结束语；通过优化设计手段进一步加深对结构优化设计在工程造价控制中的重要性认识，创造合适的条件，确定合理的目标，采用科学的控制方法，各个方面达到最佳结合，降低工程的总造价，这不仅符合现今建筑商对于建筑结构效益的追求，也是市场可持续发展的需求，更是适应绿色环保的要求。

参考文献

工程结构优化设计基础篇4

建筑设计人员必须对优化技术的内容进行充分的、完整的了解之后，才能在房屋建筑结构设计中准确的将其应用，发挥的淋漓尽致。房屋建筑结构首先要保证其安全性，在满足这个基本前提下，还要对设计过程中出现的这样那样的问题加以探讨，运用最合理、最经济的方法完成结构设计的内容，就是优化技术设计过程。优化技术的主要内容包括:首先，对房屋建筑结构的整体设计过程进行认真细致的研究和思索，对设计中存在缺陷的地方，提出相关的改进方案;其次，对房屋建筑结构的子结构进行认真细致的研究和思索，对设计中存在缺陷的地方，提出相关的改进方案;在改进时，可将子结构进行更加细致的划分，它主要包括主体结构、细部构造、围护结构、屋盖结构以及下部的基础结构。

2技术优化的意义

房屋建筑结构优化技术具有十分重要的意义，一方面可以节约大量的材料，提高建筑结构的经济性，减少内外表面装修，增强受力性能，抗震性强;另一方面降低了建筑工程的总造价成本，大量的资料和数据可证明，房屋建筑结构优化技术能有效的使工程成本造价降低百分之二十五左右，同时，对于施工材料的性能进行更加合理化的利用，使内部结构的各个单元相互协调，建筑工程结构设计的经济性得到提升。

3房屋建筑结构技术优化的应用

3．1植入概念性设计理念，重视其分析

房屋建筑施工过程中，会有这样的现象存在:施工时不能使用具体的数据，这种情况下，可以通过植入概念性设计理念进行解决。在此理念下，对同一个房屋的建筑方案，会产生很多不一样的结构设计分析方法，选择出最佳的设计方案之后，在荷载一致的情况下也有可能会出现不一样的受力形态。受力形态分析过程中，使用的参数和材料不是固定不变的，具有多样性，所以，细部结构设计也会多元化。这些情况即使使用计算机也是没有办法解决的，因此，需要相关设计人员采用概念性判断的方式。对设计人员也有一定的要求，不仅要有丰富的经验还要有灵活的思维，这样在处理这些问题时，方案越灵活，过程越充分，最后的结果才会越优化。因此，实现优化设计需要设计人员引起足够的重视，不得随意。

3．2需要工程师积极参与前期工程规划

在实际施工过程中，针对结构体系的受力分析，房屋结构工程师很难正确的把握，因此，需要他们积极主动的参与前期工程方案设计，与建筑师一同构思，提出合适的、新颖的设计方案，优化整个建筑。

3．3选择最优质房屋建筑结构方案

一般情况下，建筑设计师为了更好的服务于施工方和承包商，在具体工程项目的设计时，通常都会设计两套或者两套以上的房屋结构方案，要从经济性和实用性的角度考虑，选择出最合适、最实用的建筑方案。如果在建筑结构设计中建筑物的荷载程度相同，建筑师和设计人员对优化设计分析的指标内容就要合理的选择，然后进行结构方案的分析。这个分析活动就是设计师必修的概念优化设计，所以，建筑企业选择设计师的时候必须考虑他们的经验和技术，经验越丰富，优化设计分析能力越强。

3．4优化需考虑地基基础的结构设计

进行建筑结构设计时，地基基础的选择也是一个重要的组成部分，地基基础是一个隐蔽的工程，虽然被埋在地下，但不会削减其重要性，对建筑物的高度和安全性都有着不可估量的影响。因此，地基基础的结构设计必须选择恰当的方案，比如桩基础的选择，需根据场地的地质情况，选择出合适的桩基类型，节约造价成本。

4房屋建筑结构应用优化的注意事项

最初期的结构设计:前期结构设计方案的选择会直接影响建筑项目的成本，因此，在前期的设计过程中，如果没有使用优化技术就可能出现一系列问题，建筑物的合理性与可行性得不到保障，也会影响设计的成本。因此，在初期的结构设计方案中就应该使用优化技术，如此，才能使成本具有合理性，把合理化的结构设计完美的呈现出来。结构细部的优化工作:房屋建筑不仅要注重主体的设计，对一些基本构件也要进行精细的设计。例如，在设计矩形现浇板块的时候，先要对现浇板进行合理化的分析，把矩形板块的现浇板设计划分出来，可以避免拐角出现裂缝，使现浇板设计受力合理。现在是计算机的时代，越来越普遍的被人们使用，优化设计已经不再是工程实践的问题了，而是逐渐转变成了数学问题，所以，工程设计人员对计算机技术的优化设计方法有待于加强和提高。

5结束语

工程结构优化设计基础篇5

关键词：建筑结构；设计；优化；应用

中图分类号：TU318 文献标识码：A

建筑结构设计优化的理念应注重实际为主，根据工程项目建设的实际情况，进行建筑结构优化设计要以计划成本控制为中心，其内容就是对建筑方案、建筑结构含楼盖结构、基础结构以及围护系统结构等环节，建立起一种关于结构优化设计的模型，通过对各种不同的影响变量参数中的若干关键参数的科学的计算，确立最终的建筑工程结构设计的优化方案。

一、建筑结构设计优化的意义

1、节省工程造价。建筑工程造价中建筑结构的成本大约占到总造价的50%，对建筑结构进行优化设计可以在很大程度上降低工程总造价，节约工程造价成本。建筑结构优化设计能有效的节省房屋建筑的投资成本，具有巨大的经济价值。

2、提高工程质量。目前设计单位的水平整体都在不断提升，但是首先很多工程师成本控制意识低，忽略对建筑工程的成本造价控制，只追求高的安全系数，从而造成设计过于保守；其次，没有相应的责任制，设计人员缺乏责任心，对建筑结构的设计概念不清楚，一味的使用计算机而不是大脑来进行计算，常常导致计算不合理或者与工程实际不吻合等等错误，使之结构设计存在安全隐患或者较大的浪费；另外，设计人员与建设单位的沟通不到位，没有完全理解建设单位的建造用途及建筑功能，进而造成建筑产品不能满足建设单位的需要。据统计，因为在设计过程中，设计质量差，造成功能布置不合理，相关专业工程师没有相互沟通，导致经常出现在施工过程中进行修改及返工现象，导致施工工期不能控制。同时因为工程质量差，工程存在安全隐患等问题，造成投资的巨大浪费。通过建筑结构设计优化可以有效的提高工程设计质量，降低安全隐患，减少投资浪费。

3、建筑结构优化设计的社会意义。国家的宏观调控力度在不断的加大，原材料的价格在不断的上涨，从而在建设的前期挖掘潜力，节约建筑造成成本、科学的优化设计，有利于节约建筑的原材料、保护环境，符合国家“低碳、节能、环保”的理念，利国利民。

二、建筑结构设计优化技术应用

通过结构优化设计技术来逐步改善房屋建筑的使用性能，进而提高经济性，大力降低工程成本造价。在某个建设工程项目中，结构优化设计技术主要应用于项目的整体设计、前期设计以及抗震设计等各个分部阶段环节，应用广泛，其发挥的效能也十分明显。

1、树立精品意识。结构优化设计过程是结构工程师打造设计精品的过程，预算专业提前到设计方案阶段，为结构工程师提供必要的经济分析数据，通过结构工程师与造价工程师对设计质量、品质的经济指标的全程控制，实现设计产品质量与经济的统一。

2、优化设计中正确理解应用结构设计规范。追求适用、安全、经济、美观以及便于施工是建筑结构优化设计的目的。因此，建筑结构优化设计不但要求结构设计工程师有丰富的设计经验，也同时要对建筑结构规范的条文的概念、定义、前提条件及适用范围有较为详细的了解，在建筑结构设计规范的基础上，能够把自身的结构设计方案科学的融入到整个项目工程中。对于一些大面广的工程中，某些条文规定不可避免的偏于保守，同时，也有些条文对一些特殊、复杂工程的设计工程条文安全性不足。因此，建筑结构工程师在优化设计中，应该充分利用扎实专业知识与丰富的设计经验，对上述问题做出科学与正确的判断，从而能够把握设计，使设计成果逐步优化，不断创新。

3、结构工程师要积极参与工程前期规划及方案。建筑结构工程师要积极主动参与前期工程规划及建筑方案，是实施结构优化技术的重点内容。因为，在在实际施工中，建筑结构工程建筑师难以把握对结构体系的受力的正确分析，相关建筑结构工程师要积极主动地参与前期方案设计，帮助建筑师构思与逐步创新，使得建筑师的建筑理念得以完美的体现。

4、合理的结构方案。要用整体的概念在待定的建筑设计中来完成结构整体方案的构思，处理好构件与构件，构件与整体结构的关系，充分利用和发挥整体结构与构件的最佳受力状态，使结构具有足够的承载力、刚度及良好的延性，尽可能使结构受力与传力简单、直接、明确，使之整体结构安全可靠协调一致，使建筑的型心与重心重合，避免及减小外力作用下的扭转效应，结构平面规则对称与竖向刚度的均匀一致，才能达到结构设计的安全经济。

5、建筑结构各部门相互协调与合作。建筑结构优化是一个复杂性的系统工程，涉及到的专业也很广，各个专业必须相互协调与配合。依据建筑学发展角度出发，现代建筑是综合性产品，包括建筑、结构以及设备等要素。因此，建筑工程在工程实施中，应该大力加强分工与合作，将各个构成要素进行充分有机结合，为打造出完美的作品夯实基础。在建筑工程项目设计中，最重要的环节是建筑设计与结构设计，只有将这两个环节充分结合，建筑工程实用、经济、美观大方效果才能充分体现，同时，建造结构受力更趋向合理性，大大降低了成本，简化了施工。但在建筑设计中，一些许建筑设计人员不遵循建筑的基本力学规律，过于注重设计方案创作的新奇性，导致这建筑结构难于处理，因此，建筑结构优化必须通过强化各个专业的合作与协调，才能够实现结构合理，成本降低。

6、建筑结构抗震概念设计。概念设计就是利用设计概念并以其为主线贯穿全部设计过程的设计方法，整个设计中包含着设计者的感性和理性思维。概念设计通过使建筑结构在遭遇到水平地震力作用下不会破坏，或者将对结构的破坏影响降到最低。因此对建筑结构的设计就要采取措施减小地震带来的影响，减小地震产生影响的重要手段是需要结构刚度均匀和对称，结构主体有足够的延性，能够有效地防止结构在地震作用下发生脆性破坏。同时多道设防思想又能使次要的构件在地震情况下先被破坏，从而使一部分地震能量得到消耗，在抗震设防中进行多道防线设计，能有效的抵抗地震力作用。

7、提高材料的利用率。结构的效能设计主要考虑充分发挥结构材料的力学性能，有效的减少结构材料的消耗，达到“少费多用”的目的。各种高强材料（高强度钢筋、高强度混凝土等等）和各种轻型材料（如轻骨料混凝土、轻型隔墙、轻型墙板）的合理利用可以有效的减轻建筑结构的自重，减小水平地震力的作用，减小基础顶部荷载等等8、充分考虑地基基础结构设计。地基基础是建筑结构设计的重要组成部分之一，其造价根据工程所建地地基土的不同，基础形式不同，其基础造价也不同，但其造价占工程总造价的比例也不同，其比例占总造价的20~25%不等。地基基础属于隐蔽工程，建筑物的高度与安全性等受地基基础影响很大。建筑结构中的地基基础的结构设计必须选择合适的方案，要依据现场地质条件上部结构形式、高度、层数、基础顶部荷载，综合进行基础选型及埋深等设计，最大程度的节省造价。

结束语

要科学合理的对建筑结构进行优化设计，使其在建筑业的发展中发挥更好的作用，降低建筑成本。通过概念设计、正确的计算及合理的构造措施来保证，设计要在实践过程中不断的研究、探索和创新，使其经济性和适用性的目标得以实现。

参考文献

[1]彭 涛.住宅项目设计管理研究[J].重庆大学，2011（4）：80~82.

[2]李晓荷.结构设计优化技术在建筑工程中的应用探讨[J].科技创业家，2011（6）：56~57.

工程结构优化设计基础篇6

关键词：高层建筑； 结构； 设计； 优化

1 工程概况

某高层建筑属综合建筑。主楼占地面积9383 m2， 总建筑面积19537 m2，主楼高74.8 m， 地面以上19 层、地下1 层， 主楼建筑面积为12091 m2； 裙楼高3 层， 建筑面积为7 646 m2。建筑平面如图l 所示。

图1 建筑总平面图

1.1 结构承重体系设计

综合考虑裙楼部分大空间的设计使用要求，以及主楼部分的抗侧移设计要求， 裙房结构承重体系采用钢筋混凝土框架结构形式， 主楼采用框架―剪力墙承重结构体系。

1.2 建筑缝的处理设计

本建筑由主楼和裙房两部分组成， 在二者的连接部位需设置建筑缝。考虑到主楼部分高度较高、结构有效重量大， 裙房部分高度较低， 因此二者间需设置防震缝和沉降缝。对于防震缝， 为避免主楼和裙房间连接部位留出较大的宽缝， 给裙房屋顶防水处理带来困难， 本建筑采用“抗” 的方法。在结构分析时， 将主楼和裙房视为一个整体进行抗侧力设计计算； 对于沉降缝， 结合主楼需设一层地下室的建筑要求， 设计中将主楼基础设计成桩基础， 而将裙房基础设计成柱下条形基础。

1.3 基础设计

根据《工程地质勘察报告》提供的场地工程地质条件， 并考虑主楼和裙房间荷载分布的不均匀性特点， 主楼部分结合地下室的设计采用深桩筏板基础， 以提高主楼结构的整体稳定性， 降低主楼部分的沉降变形。

裙房部分采用柱下条形基础， 通过修工条形基础的宽度来调整基底反力， 进一步控制裙房部分的基础沉降变形， 使主楼结构和裙房结构在各自使用荷载作用下， 能产生基本上一致的基础沉降变形量。

2 结构优化设计策略

钢筋混凝土框架―剪力墙结构是高层建筑结构中最常采用的承载体系之一， 它具有框架结构建筑平面布置灵活， 能获得大空间， 建筑立面易于处理， 以及剪力墙结构抗侧移刚度大、整体性好、抗震能力强的优点。在水平荷载作用下， 具有较纯框架和纯剪力墙结构更为有利的水平变形曲线。但钢筋混凝土框― 剪结构是一个具有双重承载体系的非常复杂的空间受力体系， 力学分析难度较大， 其优化设计就更为复杂和难以实现。

2.1 框架结构的分部优化设计技术

钢筋混凝土框架结构属于具有多个多余约束的超静定结构， 其荷载效应不仅与外荷载大小有关，还与结构构件的材料特征、几何构造特征有关。钢筋混凝土框架结构的分部优化设计， 即是在结构整体内力分析完成后， 根据梁柱各构件的控制内力进行截面优化设计， 确定满足荷载效应水平要求的各结构构件的几何特征和配筋量的优化结果， 由此导致原结构的几何特征和荷载特征发生变化。优化结构在现荷载作用下内力分布特征发生变化， 各构件控制截面上的控制内力也发生相应变化， 据此再进行新一轮的优化设计。钢筋混凝土框架结构的分部优化设计方法的具体步骤为：

a ） 初始选型： 根据结构平面、立面布置及建筑物设计使用功能， 分析结构所受的竖向荷载和水平荷载及其传力路线， 并考虑施工因素， 归并框架梁、柱的类型， 初选梁柱的几何尺寸。

b ） 结构分析： 按照结构的实际几何构造特征，计算结构所受竖向荷载及水平荷载， 对钢筋混凝土结构进行空间内力分析。根据结构分析结果， 将截面尺寸相同的构件来控制截面内力， 根据其大小进行分类， 并确定每一类构件的设计控制内力。

c ） 截面优化设计： 针对每一种梁柱构件的控制内力进行优化设计， 得出优化约束条件下的结构几何构造特征和配筋特征的优化设计结果， 从而构成新的优化意义上的设计结构。

d ） 收敛性判断： 在工程精度意义上选取一个较小的数值， 作为检验结构收敛性的条件， 进行收敛性判断， 若优化结构与原结构基本一致， 则认为优化结构是收敛的， 可以转入下一步的可行性判断， 否则转回第b ） 步重新进行结构分析、优化设计。

2.2 框― 剪结构的三阶段优化设计策略

框―剪结构的设计主要涉及3个方面的优化问题：①结构最优设防水平的决策；②框架与剪力墙结构协同工作，以及承载力、刚度与延性变形能力间的最佳匹配设计；③框架―剪力墙结构构件的优化设计。

2.2.1 第一阶段： 最优设防水平的优化决策

根据地震危险性分析结果或地震区划规定， 在预测地震烈度概率分析基础上， 用模糊综合评判法计算结构的模糊延性向量和模糊抗震强度、损伤等级概率和震害损失的预估期望值E（Id），在满足最大投资约束和最大损失约束条件下，使k1C（Id）+K2K3E（Id）达到最小，求出最优抗震设防烈度Id。

2.2.2 第二阶段： 剪力墙构件的优化设计

剪力墙结构构件的优化设计主要是结构刚度与延性指标的最佳组合， 可用力学准则进行优化。结构刚度对结构的影响主要为结构的自振周期和侧向位移， 结构延性对结构的影响主要为保持承载力前提下的变形能力。因此， 可用结构整体的侧向位移量来协调结构的刚度和延性。根据高层结构设计规范对结构层间位移和顶点总侧移的限值来控制结构的刚度设计和延性设计。

2.2.3 第三阶段： 框架结构的优化设计

框架结构的优化设计准则是一个结构准则， 在一次整体分析完成之后， 可按照前述方法对框― 剪结构中的框架部分进行优化设计。

2.2.4 框― 剪结构的优化设计步骤

a ） 分析结构平面、立面布置特点， 根据工程经验选定剪力墙抗侧力构件的布置位置及几何厚度；

b ） 根据结构使用荷载特点， 根据经验归并框架结构类型， 并初步选定每一类型框架结构梁柱构件的几何尺寸；

c ） 进行整体结构的空间内力分析；

d ） 根据结构分析计算结果， 检查结构的层间位移及顶点总位移是否满足规范要求， 若满足规范要求， 则转入第e ） 步进行判断； 若不满足规范要求， 则直接返回第a ） 步， 进行剪力墙水平截面面积的修正；

e ） 刚度最优化判断： 比较结构实际侧移值和规范限值， 若max（δ/h）-[δ/h] / [δ/h]≤ε1且max（Δ/H）-[Δ/H]/[Δ/H]≤ε2，则转入第f） 步进行计算； 否则转入第a ） 步， 并用原剪力墙厚度乘以修正系数，来修正剪力墙几何尺寸， 重新进行结构分析；

f ） 分别进行剪力墙和框架结构构件的截面优化设计；

g ） 收敛性判断： 比较优化结构与原结构的接近程度， 若优化结构与原结构基本一致， 则认为优化结构是收敛的， 可以转入下一步进行可行性判断， 否则将优化结构作为原结构转回第c ） 步重新进行结构分析、优化设计。

工程结构优化设计基础篇7

关键词：建筑工程；结构设计；问题与措施；设计优化

1、存在的问题

1.1结构设计牢固性差

建筑工程结构的牢固性在很大程度上决定着工程整体的安全性，而建筑工程结构的稳定性已经成为了工程结构设计中普遍存在的一个问题。虽然局部结构的破坏不会导致整体结构的崩塌，但一旦发生火灾或地震等重大灾难性事故，将会给工程结构的冗余度设计带来巨大考验。比如，若是地基结构设计未能充分考虑到地质承载能力等因素，必然无法确保外力破坏下工程结构的稳定性和安全性。当前国内大部分建筑工程在结构设计方面并不是很完善，建筑工程的整体稳定性和牢固性并不是很强。

1.2构造柱和承重柱的区分问题

构造柱和梁若是设计合理，能够有效防止墙体裂缝的发生，是提高建筑工程抗震能力的有效途径和手段。事实上，设计人员完全未能明确构造柱和承重柱的概念，将构造柱设计等同于承重柱设计，未能为构造柱设置基础。所以，在抗震能力方面不是很强，造成了结构的裂缝和沉降，甚至导致建筑工程的倒塌。此外，为了对承重柱的受力加以客观全面的分析，将其截面面积设计的太小。如此一来，一旦发生外力破坏，柱体和梁体变化产生裂缝。

1.3忽略环境影响因素

工程结构设计在考虑结构稳定性和安全性基础上，还需要全面考虑外部环境因素，包括空气湿度、温度和土质结构等，但就现状来讲，环境因素往往会被忽略，而这些因素对结构构件会产生重大的负面影响。不仅无法强化工程结构的稳定性和安全性，而且也会对工程结构带来巨大隐患。

2、问题的对策

2.1确定结构设计方案

工程结构设计方案主要包括框架选择、基础设置和结构措施等内容。

框架结构由结构性构件组成，彼此之间通过节点加以连接，以产生垂直和水平荷载能力。若是多层建筑，还要对水平风荷载加以特殊考虑。此外，框架结构最好要选择杆件刚接体系，以确保工程结构的抗震性和稳定性。

基础设置要充分考虑施工现场的水文地质和施工环境等。若是低层建筑，那么其上部结构荷载不会太大，由此便可以选择独立基础的结构模式。若是高层建筑，就要选择综合基础的结构模式。

结构措施要结合具体的抗震设计规范要求，在结构设计方面加强抗震设计，采取有效抗震措施。比如以整体浇筑的方式进行梁柱灌注，选择最佳的结构构件。

2.2设计内力组合

内里组合是工程结构设计中抗震设计的关键点，要在调整结构抗震系数的基础上加以科学设计。在进行抗震设计时，构件材料的强度要大于未考虑抗震要求时的材料强度。若是以普通抗震设计材料强度对抗震系数加以计算，那么在实际工程结构抗震设计过程中要对系数加以调整。经过全面的抗震系数调整，提高建筑工程结构的抗震能力。

2.3 板设计和配筋的设计

在进行这方面的结构设计时，要对板长边和短边长度进行全面分析。若是长度差距在2㎜以内，那么就要采用双向板设计若是长度差距在2～3㎜，则采用单向板加以设计，并在长边位置上合理布置构造钢筋。结合结构板的实际大小，可灵活采用弹性方法加以设计。在对连续双向跨板的最大弯矩进行分析和计算时，一定要结合具体荷载分布，对满布荷载加以分解，对间隔加以合理布置。一般情况下，在支承中间柱的位置上对格板加以稳固，并结合实际支承，计算出所有格板的弯矩，然后将所得弯矩加以叠加，最后算出跨中最大弯矩。

2.4控制转换层模板的侧压力

在对转换层进行浇筑时，可灵活使用内部振捣器。在确保模板承载性的基础上，尽可能地增强模板刚性。而转换层模板的侧压力，可通过固定公式加以计算：F=0.2γct0β1β2V2。上式中的F代表最大侧压力，单位为kN/m2；c代表具体的凝注时间，单位为h。若是无法确定凝注时间，可通过公式t0=200/（T+15）加以计算。式中的T代表新浇筑混凝土温度，H代表浇筑高度，单位是m；V代表浇筑速度，单位是m/h。采用内部振捣器浇筑混凝土，浇筑速度通常控制在6m/h以内；β1代表添加外加剂后的修正系数。若是不添加任何外加剂，那么修正系数取1，若是添加添加剂，则修正系数取1.2；β2代表混凝土出现塌落后的修正系数。若是塌落度小于30毫米，那么修正系数取值为0.85，若是塌落度大于50毫米而小于90毫米，那么修正系数取值为1；若是塌落度大于110毫米，小于150毫米，那么修正系数取值为1.15。

3、设计的优化

选择设计变量：所谓设计变量，是指在结构设计过程中需要优化的量，具体包括构件尺寸、结构形状和结构材料等。通常来讲，设计变量越多，优化效果就越好，但复杂度也相应加大。在实际设计过程中，总是尽可能低减少设计变量，将那些不会产生太大优化效果的参数排除。设计变量的选择要以客观条件为依据，要合理控制其选择范围，若是将梁的截面高度选为设计变量，根据具体要求，它是受一定限制的。

目标函数建立：目标函数是对以设计变量目标性指标的一种解析表达式。目标函数是衡量结构方案好与坏的重要标准，结构的刚度、抗震力、形状、尺寸和重量等都能够成为目标函数。

约束条件设立：所谓约束条件，是指优化过程中要遵守的具体条件。约束条件一定要符合具体的设计要求和设计标准。在设立约束条件时，要将那些和优化变量有关，必须存在的限制条件作为约束条件，并去掉一些可有可无的限制条件，尽可能地实现简化。在优化过程中，约束条件主要分为两类：第一，设计标准和设计要求中有明确规定的数值，比如梁的宽度要求、配筋率要求和钢筋混凝土要求等；第二，确保结构常态下的稳定性、安全性和承载性等的限制，这些条件通常和设计变量之间不存在直接联系，需要经过复杂计算才能确定和设立。

优化算法选择：为了取得良好的优化效果，必须要在构建优化模型基础上，合理选择优化算法。选择合理的优化算法对优化模型进行解算，可将其视为在约束条件下求目标函数相关值的问题。就现实来讲，约束条件和目标函数并非单纯的非线性，还具有隐形函数性质，因此，不同的优化问题要选择相应的优化算法，以此来确保优化效果的最佳化。

参考文献

[1]郝敏：《浅谈建筑工程结构设计中的安全性与经济性》[J]黑龙江科技信息，2013（27）

工程结构优化设计基础篇8

关键词：框剪结构；优化设计；措施；内力分析

框剪结构是由框架结构和剪力墙结构体系组成的一种结构体系，是由延性较好的框架、抗侧力刚度较大并带有边框的剪力墙和耗能性能良好的连梁共同组成的一种结构体系。在高层建筑的结构设计中，框剪结构由于其能为建筑使用提供较大的平面空间，又具有整体性好、抗震性能好及较大的抗侧力刚度等优点而得到广泛应用，特别是用于结构平面和功能复杂的高层办公楼、医院病房及酒店等高层建筑。但在实际设计中仍然存在着一些问题有待进一步的解决。本文将对建筑框剪结构优化设计措施进行了探讨和思考。

1 工程概况

某高层建筑工程，主楼地下1层，地面19层，裙楼高3层，主楼总建筑面积18844 m2，裙楼总建筑面积8556 m2，建筑平面如图1所示。

1.1 结构承重体系设计

根据国家抗震区划图，待设计建筑地区的基本烈度为7度，相应地主楼结构部分的抗震等级为二级，裙楼部分的抗震等级为三级。结构设计中裙房部分主要考虑由恒载及使用活荷载等竖向荷载引起的荷载效应，主楼部分结构设计不仅考虑竖向荷载效应，还要考虑水平地震作用及风荷载作用下产生的荷载效应的组合。综合考虑裙楼部分大空间的设计使用要求以及主楼部分的抗侧移设计要求，裙房结构承重体系采用钢筋砼框架结构形式，主楼采用框架—剪力墙承重结构体系。

本建筑结构在主楼抗侧力构件设计中，剪力墙主要承担水平作用，框架承担少部分水平荷载作用和大部分竖向荷载作用。主楼平面形状基本上为正方形，楼梯均设置在角部位置，为提高主楼结构的抗扭能力，剪力墙结合楼电梯间设在主楼结构的两个对角位置，具体厚度根据高层建筑结构设计的变形限值，由刚度、承载力和延性三者间的最佳匹配决定。

1.2 建筑缝的处理设计

本建筑由主楼和裙房两部分组成，在二者的连接部位需设置建筑缝。考虑到主楼部分高度较大、结构有效重量大，裙房部分高度较低，因此二者间需设置防震缝和沉降缝。对于防震缝，为避免主楼和裙房间连接部位留出较大的宽缝，给裙房屋顶防水处理带来困难，本建筑采用“抗”的方法，在结构分析时，将主楼和裙房视为一个整体进行抗侧力设计计算；对于沉降缝，结合主楼需设一层地下室的建筑要求，设计中将主楼基础设计成桩基础，而将裙房基础设计成柱下条形基础，通过两类基础的沉降变形计算，相应调整和消除主楼和裙房两部分的不均匀沉降差。施工时，在主楼和裙房连接部位预留1.5m宽后浇带，通过施工手段局部调整高低两部分间的沉降差。

1.3 基础设计

根据《工程地质勘察报告》提供的场地工程地质条件，并考虑主楼和裙房间荷载分布的不均匀性特点，主楼部分结合地下室的设计采用深桩筏板基础，以提高主楼结构的整体稳定性，降低主楼部分的沉降变形。

裙房部分采用柱下条形基础，通过修正条形基础的宽度来调整基底反力，进一步控制裙房部分的基础沉降变形，使主楼结构和裙房结构在各自使用荷载作用下，能产生基本上一致的基础沉降变形量。

2 结构优化设计策略

钢筋砼框架—剪力墙结构是高层建筑结构中最常采用的承载体系之一，它同时具有框架结构建筑平面布置灵活，能获得大空间，建筑立面易于处理，以及剪力墙结构抗侧移刚度大、整体性好、抗震能力强的优点。在水平荷载作用下，具有较纯框架和纯剪力墙结构更为有利的水平变形曲线。但钢筋砼框—剪结构是一个具有双重承载体系的非常复杂的空间受力体系，力学分析难度较大，其优化设计就更为复杂和难以实现。所以，尽管国内外学者对此做过许多有益的尝试，但框）剪结构的优化设计还存在很多具有重大工程意义和科学意义的课题。

2.1 框架结构的分部优化设计技术

钢筋砼框架结构属于具有多个多余约束的超静定结构，其荷载效应不仅与外荷载大小有关，还与结构构件的材料特征、几何构造特征有关。钢筋砼框架结构的分部优化设计，即是在结构整体内力分析完成后，根据梁柱各构件的控制内力进行截面优化设计，确定满足荷载效应水平要求的各结构构件的几何特征和配筋量的优化结果，由此导致原结构的几何特征和荷载特征发生变化，优化结构在现荷载作用下内力分布特征发生变化，各构件控制截面上的控制内力也发生相应变化，据此再进行新一轮的优化设计。因此框架结构的分部优化设计实际上是一个迭代、渐进的寻优过程，计算结果虽不总能等价于整体优化设计结果，但通常能给出工程实用的满意结果。

钢筋砼框架结构的分部优化设计方法的具体步骤为：

（1）初始选型：根据结构平面、立面布置及建筑物设计使用功能，分析结构所受的竖向荷载和水平荷载及其传力路线，并考虑施工因素，归并框架梁、柱的类型，初选梁柱的几何尺寸；

（2）结构分析：按照结构的实际几何构造特征，计算结构所受竖向荷载及水平荷载，对钢筋砼结构进行空间内力分析。根据结构分析结果，将截面尺寸相同的构件的控制截面内力，根据其大小进行分类，并确定每一类构件的设计控制内力；

（3）截面优化设计：针对每一种梁柱构件的控制内力进行优化设计，得出优化约束条件下的结构几何构造特征和配筋特征的优化设计结果，从而构成新的优化意义上的设计结构；

（4）收敛性判断：在工程精度意义上选取一个较小的数值，作为检验结构收敛性的条件，进行收敛性判断。若优化结构与原结构基本一致，则认为优化结构是收敛的，可以转入下一步的可行性判断，否则转回第（2）步重新进行结构分析、优化设计；

（5）可行性判断：对优化设计结果进行一次内力分析，检验其可用性。若整体分析能够满足工程设计要求，则可按此方案进行配筋和构造处理，作为最终的优化设计结果。否则需根据工程经验和结构内力分析结果进行局部调整，直到方案可用为止。

2.2 框—剪结构的三阶段优化设计策略

框—剪结构的设计主要涉及三个方面的优化问题：一是结构最优设防水平的决策，二是框架与剪力墙结构协同工作，以及承载力、刚度与延性变形能力间的最佳匹配设计，三是框架——剪力墙结构构件的优化设计问题。

高层框—剪结构在水平荷载作用下的协同工作问题，主要是水平荷载在框架和剪力墙结构之间的分配设计，因此剪力墙数量和位置的设计是关键问题。这里，我们将框）剪结构的优化设计过程分为三个阶段进行，对不同阶段的不同问题，采取不同的优化准则进行优化设计。

（1）第一阶段：最优设防水平Id的优化决策

根据地震危险性分析结果或地震区划规定，在预测地震烈度概率分析基础上，用模糊综合评判法计算结构的模糊延性向量和模糊抗震强度、损伤等级概率和震害损失的预估期望值E（Id），在满足最大投资约束和最大损失约束条件下，使k1C（Id）+k2k3E（Id）达到最小，求出最优抗震设防烈度Id。

（2）第二阶段：剪力墙构件的优化设计

剪力墙结构构件的优化设计主要是结构刚度与延性指标的最佳组合，可用力学准则进行优化。结构刚度对结构的影响主要为结构的自振周期和侧向位移，结构延性对结构的影响主要为保持承载力前提下的变形能力。因此，可用结构整体的侧向位移量来协调结构的刚度和延性。我们根据高层结构设计规范对结构层间位移和顶点总侧移的限值来控制结构的刚度设计和延性设计。

（3）第三阶段：框架结构的优化设计

框架结构的优化设计准则是一个结构准则，在一次整体分析完成之后，可按照前述方法对框）剪结构中的框架部分进行优化设计。

（4）框）剪结构的优化设计步骤：

1）分析结构平面、立面布置特点，根据工程经验选定剪力墙抗侧力构件的布置位置及几何厚度；

2）根据结构使用荷载特点，根据经验归并框架结构类型，并初步选定每一类型框架结构梁柱构件的几何尺寸；

3）进行整体结构的空间内力分析；

4）根据结构分析计算结果，检查结构的层间位移及顶点总位移是否满足规范要求。若满足规范要求，则转入第5）步进行判断；若不满足规范要求，则直接返回第1）步，进行剪力墙水平截面面积的修正；

5）刚度最优化判断：比较结构实际侧移值和规范限值，若︳max（δ/h）-[ δ/h]︳/[δ/h]≤ε1且︳max（Δ/H）-[Δ/H]︳/[Δ/H]≤ε2，则转入第6）步进行计算；否则转入第1）步，并用原剪力墙厚度乘以修正系数ζ=max{ζ1，ζ2}（ζ1=[δ/h]/max（δ/h），ζ2=[Δ/H]︳/max（Δ/H）），来修正剪力墙几何尺寸，重新进行结构分析；

6）分别进行剪力墙和框架结构构件的截面优化设计；

7）收敛性判断：比较优化结构与原结构的接近程度，若优化结构与原结构基本一致，则认为优化结构是收敛的，可以转入下一步进行可行性判断，否则将优化结构作为原结构转回第3）步重新进行结构分析、优化设计；

8）可行性判断：对优化设计结果进行一次内力分析，检验其可用性。若整体分析能够满足工程设计要求，则可按此方案进行配筋和构造处理，作为最终的优化设计结果。否则需根据工程经验和结构内力分析结果进行局部调整，直到方案可用为止。

3 工程实例

采用三阶段优化设计方法对前述高层框-剪结构进行优化设计，在正常承受灾害损失能力和投资能力较强时，最优设防烈度为7.5度。后经专家论证，并考虑到资金投入的难度，提高了权重系数k1，最优设防水平按7度设计。图2为主楼部分框剪结构标准层结构布置图，表1所示为主要结构构件截面尺寸的优化设计结果。

4 结论

总之，框剪结构融合了框架和剪力墙结构的各自特点，得到了很好的互补，合理的设计能够突出该结构的优势，提高建筑的抗震性能和使用品质。因此，在结构设计时应该在整体考虑下进行结构布置，计算后在整体考虑概念中调整修改，不惜调整多次，这样才能达到结构整体受力分布更均匀，造价更经济的目标。

参考文献：

工程结构优化设计基础篇9

关键词：建筑 结构设计

中图分类号： S611 文献标识码： A 文章编号：

建筑结构的造价在建筑工程中占有较大的比例,结构设计优化技术的应用可以产生可观的经济效益。建筑设计部门和设计人员应严格遵守“经济、适用、合理”的设计原则,精心设计,应用现代化科技手段,选择合理的建筑结构设计方案,实现降低建筑工程造价并取得最大经济效益的目的。

一、建筑结构优化设计

1、结构设计优化方法的应用结构设计优化方法和技术的应用具体体现在房屋工程结构总体的优化设计和房屋工程分部结构的优化设计两方面。其中房屋工程分部结构的优化设计包括: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含选型、布置、受力分析、造价分析等内容,并应在满足设计规范和使用要求的前提下,结合具体工程的实际情况,围绕其综合经济效益的目标进行结构优化设计。

2、结构设计优化方法的实践价值笔者认为,在满足建筑结构长远效益的前提下,应尽量减少建筑结构的近期投资并提高建筑结构的可靠度和合理性。与传统设计相比,采用设计优化技术可以使建筑工程造价降低5%～30%。优化技术的实现,可以最合理的利用材料的性能,使建筑结构内部各单元得到最好的协调,并具有建筑规范所规定的安全度。同时,它还可为建筑整体性方案设计进行合理的决策,优化技术是实现建筑设计的“适用、安全和经济”目标的有效途径。

二、建筑结构经济设计分析

1、结构设计与用地的关系多层或高层住宅建筑中,总建筑面积是各层建筑面积的总和,层数越多,单位建筑面积所分摊的房屋占地面积就越少。但随着建筑层数的增加,房屋的总高度也增加,房屋之间的间距也必须增大。因此,用地的节约量并不随建筑层数的增加而按同一比例递增。

2、结构设计与造价的关系建筑层数对单位建筑面积造价有直接影响,但影响程度对各分部结构却是不同的。屋盖部分,不管层数多少,都共用一个屋盖,并不因层数增加而使屋盖的投资增加。因此,屋盖部分的单位面积造价随层数增加而明显下降。基础部分,各层共用基础,随着层数增加,基础结构的荷载加大,必须加大基础的承载力,虽然基础部分的单位面积造价随层数增加而有所降低,但不如屋盖那样显著。承重结构,如墙、柱、梁等,随层数增加而要增强承载能力和抗震能力,这些分部结构的单位建筑造价将有所提高。

3、高层住宅结构设计与经济性的关系住宅的层高直接影响住宅的造价,因为层高增加,墙体面积和柱体积增加,并增加结构的自重,会增加基础和柱的承载力,并使水卫和电气的管线加长。降低层高,可节省材料、节约能源,有利于抗震,节省造价。同时,除降低层高可以减少住宅建筑总高度,缩小建筑之间的日照距离,所以降低层高能也取得节约用地的效果。

在相同建筑面积时,住宅建筑平面形状不同,住宅的外墙周长系数也不相同。显然平面形状越接近方形或圆形,外墙周长系数越小,外墙砌体、基础、内外表面装修等也随之减少,并且受力性能好,造价会降低。考虑到住宅的使用功能和方便性,通常单体住宅建筑的平面形状多为矩形。

三、结构设计优化技术应用分析

1、直觉优化(概念设计优化)技术与建筑结构设计对于同一建筑方案,可以有许多不同的结构布置设计;确定了结构布置的建筑物,即使在同种荷载情况下也存在不同的分析方法;分析过程中设计参数、材料、荷载的取值也不是惟一的:建筑物细部的处理更是不尽相同,这些问题是计算机无法完全解决的,都需要设计人员自己作出判断。而判断只能在结构设计的一般规律指导下,根据工程实践经验进行,这便是前面所说的概念设计。因此,概念设计存在于设计师对多种备选方案进行选择的过程中。

2 、概念设计处理的实际建筑设计问题概念设计所要处理的问题多种多样。但可以肯定的是希望通过概念设计,建筑结构能在各种不期而遇的外部作用下不受破坏,或将破坏程度降至最低。因此,分析如何应付建筑物可能遭遇的各种不确定因素成为概念设计的重要内容。其中,地震作用最为难以琢磨,破坏性也最大。故而,建筑设计过程中就应该未雨绸缪,从计算及构造等各个方面都要采取一些有助于提高抗震能力的措施,不利于抗震的作法则应尽量避免。刚度均匀、对称是减小地震在结构中产生不利影响的重要手段;延性设计则能有效地防止结构在地震作用下发生脆性破坏;多道设防思想能使建筑在特大地震作用下次要的构件先破坏,消耗一部分地震能量。这些抗震设防思想在整个设计过程中都应该作为概念设计的重要指导思想。

四、小结

建筑是凝固的艺术,建筑师总是希望通过建筑物表达自己的设计意图,力求艺术性和实用性的完美结合。结构师在保证安全性的前提下,当然应该敢于挑战新的结构形式,使建筑师的意图得以实现。在建筑结构设计的过程中,在基本满足建筑师设计意图的基础上,平面布置应尽量规则,对称,尽量缩小质量中心和刚度中心的差异;使建筑物在水平荷载作用下不致产生太大的扭转效应。竖向布置上,在满足功能要求的前提下,尽量使竖向承重构件上下贯通;能不使用转换层的就应避免使用,以减小结构分析和设计上的困难,另外也不经济,还容易造成应力集中;竖向刚度最好不要突变,而要渐变,否则突变处在水平荷载作用下会出现严重的应力集中现象,这对结构抵抗水平动力荷载是十分不利的。

参考文献:

1、汪树玉.结构优化设计的现状与进展[J].基建优化,2007:12-13.

工程结构优化设计基础篇10

工业建筑是用于工业生产的建筑物，其不仅包括生产车间及仓储空间，同时还包括宿舍、食堂、办公楼等配套建筑。在现代管理理论及实践经验日渐丰富的今天，企业对生产效率、管理效率的重视日渐增强。如果工业建筑结构设计不合理，不仅增加了生产、储运环节的成本，同时还造成了人力、物力的浪费。针对现代企业生产管理需求，企业的建筑结构设计中必须引入优化理念。通过对管理流程、生产流程、生产设备、生产工艺等内容的分析与掌握，可以实现科学的工业建筑结构优化设计，促进企业生产环节成本最优化目标的实现。根据厂房的层数与建筑高度，工业建筑可分为单层、多层以及高层，比较常见的结构类型有门式刚架，框架结构等，其需要根据企业产品的生产特点进行选择，并以优化的设计实现科学的管理流程。

1 工业建筑结构设计优化基本概念分析

传统的结构设计优化是对结构进行分析、校核及设计优化。现代意义上的工业建筑结构设计优化是从工业生产工艺、流程、设备放置等角度出发，对工业建筑结构的使用性能、成本、结构等进行分析与评价，确定结构设计科学性。利用工业建筑结构设计优化能够最大限度的为投资建设单位提供最为科学的工业建筑结构，并满足现代市场经济体制下企业生产效率、管理效率及综合成本控制的目的。

2 工业建筑结构设计优化的探讨

2.1 工业建筑结构设计优化的目的

在现代工业建筑结构设计优化中，根据优化需求可以将其目的分为两类。一类是传统意义上的建筑结构设计优化目的，其包括了结构成本设计优化、提高设计质量、保障结构设计科学性、满足低碳环保需求等。而另一类建筑结构设计优化目的是以企业工业生产环节为核心，对结构布局、设备布局、工艺流程等进行分析，以此为基础提高生产工作效率、降低企业生产成本。

2.2 工业建筑结构设计优化开展的基础――团队建设

受建筑结构设计优化人员专业性因素影响，工业建筑结构设计优化需要企业以科学的优化团队为基础开展优化工作。工业建筑结构设计优化团队中应具备建筑专业工程师对结构主体设计进行分析优化，同时具备工业生产相应工艺技术人员对工艺布局、工艺流程需求进行分析，提出建筑结构布局要求，并分析建筑结构设计的实用性、科学性。另外，优化团队中还需要加入机械设备工程，对设备的安装、布局等进行分析，保障设备运行安全性及运行成本。以基础团队建设为中心，可以确保工业建筑结构设计优化工作的科学开展。

2.3 工业建筑结构设计优化中的常见问题

在现代建筑结构设计优化的经验总结及经验分享中，多数优化团队及个人提出了常见的问题。首先，钢结构应用日益增加，对概念性设计及空间美学产生了极大的影响。另外，许多工业建筑结构设计优化项目中，设计人员缺乏对结构布局的认识，缺乏对工艺的深入了解与探讨，造成了优化项目效果不明显，造成了多数企业对工业建筑结构设计优化工作的不认可问题。在一系列的问题中，土建工程含钢量问题也是设计优化的重点。工业建筑土建项目中的成本70%以上为材料费，其中钢材价格高达几千元每吨。科学的减少含钢量能够有效降低工程造价。因此在工业建筑结构设计优化中应在保障工程设计要求前提下，合理优化含钢量，实现减低造价的目标。

在目前的工业建筑物结构设计优化中，由于概念性设计缺乏具体量化标准，因此设计优化存在较大的差异，影响了建筑物的设计与施工。针对这一问题，现代工业建筑物结构设计优化中应灵活运用结构设计优化方法，以数值为参考依据，提高优化效果。

在工业建筑物结构设计优化中，虽然考虑了管理工作需求以及数字化办公对管理工作的影响，但是在实际的工作中仍需要各岗位人员不断出入各工序，因此结构设计优化中还需要考虑结构布局。根据质检工作、工艺管理等工作的实际行进路线，根据各岗位沟通及管理工作需求，对工业建筑物结构设计进行布局优化，实现高效率管理、提高工作效率，促进企业综合成本的降低的目的，借以提高工业企业综合市场竞争力。

2.4 工业建筑结构设计优化注意事项的分析

现代工业建筑结构设计优化理论指出，设计优化的主要目标是在保障建筑安全、技术可行、配合并促进建筑设计的前提下，通过优化工作实现最经济的工业建筑投资预期效果。根据工业建筑物的使用特点及设计特点，优化工作需要从每一个环节及步骤的分析入手，深入挖掘。但是，在优化过程中不能以牺牲结构安全度及抗震性能实现经济效益。设计师需要通过对工业建筑投资建设的目的进行深入掌握，以实质内涵的理解及灵活的优化方法为基础，实现优化目的。

优秀的工业建筑结构设计优化是美观与实用、经济与质量相结合的系统工作，以满足工业建筑结构安全性能、设备布局及人员通路需求为基础的活动。工业建筑结构设计优化活动以设计方案为基础，以工艺需求及设备布局为重点，实现工业建筑物内部生产及管理活动的需求。

2.5 建立工业建筑结构设计优化模型，提高优化质量

为了实现科学的工业建筑结构设计优化工作，在优化工作开展前应建立结构设计优化模型。从诸多变量参数中选出重点参数，并建立函数模型，以此为基础实现最佳优化方案。在这一过程中，应首先确定各种变量是重点，针对影响工业建筑结构设计的重点确定模型中参数内容。其次，选定函数模型及优化方向，以此使各类约束性条件符合既定标准，满足优化工作需求。

3 建立完善的优化管理体系，保障工业建筑结构设计优化质量

在目前的工业建筑结构设计优化中，由于优化活动缺乏统一的指导、缺乏具体的管理，常会造成优化质量效果不明显的问题。因此，现代工业建筑结构设计优化必须建立相应的管理体系，且该体系具有动态完善性。通过对管理体系的实时评测，及时掌握管理体系中存在的问题，并采取针对性措施对管理体系进行完善，以此实现管理目标。另外，对相关的岗位工作人员也应采取相应的管理方式，以岗位职责的不断完善，指导设计优化人员的具体工作，实现对工业建筑结构设计优化质量管理目标。

4 结束语

随着我国现代工业的不断发展，行业领军企业的规模不断加大，新建工业园区过程中企业对工业建筑的要求也不断提高。针对工业建筑的特殊性，工业企业加强了对建筑结构设计的关注。利用工业建筑结构设计优化方法、优化技巧，降低工程总体投资。同时，满足工业建筑结构使用功能需求。随着市场竞争的日益激烈，企业的管理成本成为了影响企业发展的关键因素。工业建筑结构设计优化能够通过优化活动，缩短管理过程中人员、物料移动距离，提高工作效率、减低综合成本。

参考文献

[1]宋辉.工业建筑结构设计优化方法及模型应用[J].工业建筑资讯，2013，9.