基于建筑结构优化设计的探讨

目前在我国的建筑设计中，对建筑结构的优化设计具有重要的意义。在建筑工程的设计阶段,当满足建筑的诸多功能后,工程造价的控制是每个投资者最为关注的主要内容,也自然成为投资者评价设计质量优劣、衡量设计水平、选择设计单位的重要标准。为了在日益激烈的设计市场竞争中求得生存与发展,为业主提供优质的设计产品,提高设计产品的经济性,已成为每一个设计单位努力追求的目标。由于在建筑产品中结构造价所占的比重很大,通过对建筑结构的优化设计,不仅能够提高建筑物的安全度,而且能够有效的降低工程造价,从而实现投资效益的最大化。在建筑结构设计中,当建筑方案产生后,结构从选型和布置开始就存在优化与否的问题,再加上后续每一道工序的精心设计、准确计算、合理选用等全过程的优化设计才能产生优化的结构。

一、选择合理的结构方案

结构设计方案的优劣决定了结构设计的成败。对于同一个建筑设计方案,结构设计方案往往不是唯一的。不同的结构方案会使工程造价和工程质量产生很大的差别, 所以选择合理的结构方案便显得尤为重要。在结构方案的选择上,应遵循以下的一些基本原则：

(1)要用整体的概念在特定的建筑空间中来完成结构总体方案的构思,处理好构件与结构、结构与结构的关系,充分利用和发挥整体结构和构件的最佳受力状态,使结构具备足够的承载力、刚度和良好的延性;

(2)尽可能使结构的受力与传力途径简单、直接、明确。传力途径复杂会出现多次转换的结构构件,这样会导致造价的提高,也容易出现计算错误产生安全问题。采用最简单、直接的传力途径,可以省去中间传递的结构构件,减少结构的安全风险,使结构受力更加明确,其造价也相对经济;

(3)保持整个结构安全可靠度的协调一致性应通盘考虑整体结构的每一个构件,使结构构件能够协调一致发挥其最大效能,确保达到规范规定的设计目标水准,实现结构既经济又安全的目标;

(4)使结构平面布置的抗侧力刚度中心与建筑物的外力作用中心或质量重心尽量接近或重合, 以避免或减小外力作用下结构的扭转效应,因为抵抗结构的扭转所需增加的材料用量是很大的,可以说结构平面布置的不规则既不经济又不安全;

(5)积极主动的参与建筑设计的方案阶段,加强与建筑师的沟通与协调。一个设计精品是建筑师和结构工程师创造性合作的共同成果,在满足建筑物的功能和建筑师创意的前提下,结构工程师有责任对建筑方案提出建设性的意见,与建筑师一起构思最佳的结构体系。结构工程师只有加强结构概念的培养,才能比较客观、真实地理解结构的工作性能。并综合运用其掌握的结构概念,通过反复试算、反馈和优化,选择效果最好、造价最低的结构方案。

二、结构方案上的优化

在建筑机构优化设计中，结构方案的优化是设计优化的基础和保证。对建筑设计者而言，所能采用的建筑结构方案往往不是唯一的，但是不同的结构方案的选择，其所耗费的过程造价和实际的过程质量也是不同的，为了实现结构优化设计的最终目的，就必须要选择一个最优的结构方案，实现架构方案的优化。

(一) 从整体上处理好各要素之间的关系

这里所说的整体，就是将结构的总体方案放置于特定的建筑空间中，同时要处理好每个要素之间的关系，包括结构与构件之间的关系，充分考虑结构和构件在整体上的最佳受理状态，从而使结构具备更高的承载力以及良好的刚度和延展性。

(二) 优化结构的受力与传力途径

结构受力的优化主要是要考虑简单的传力途径，传力途径过于复杂，就会使结构构件出现多次转换，而这种转换过程必然会增加工程的造价，同时也有可能出现计算上的错误从而出现相应的安全问题。因此采用简单的传力途径，不仅可以减少结构构件的转换次数，降低计算错误的安全风险，同时也可以提高工程造价的积极性。

(三) 保证整个结构的协调一致性

在结构方案的设计上一定要充分考虑整体结构中的每一个构件，使其结构构件可以在整体上实现协调一致性，发挥出整体上的最大效应，以确保实现建筑规范所规定的设计目标要求，从而实现结构设计上的优化。

(四) 避免结构上的扭转

结构上出现扭转的原因一般都是由于结构平面布置中抗侧力的刚度中心跟建筑物的质量重心或者是外力作用重心相偏离而导致的，这种扭转所消耗的材料量是很大的，同时也会出现相应的不安全因素，因此在结构方案中主要加以重视和避免。

三、建筑结构材料上的优化

处于对建筑结构中的经济性和安全性的双重考虑，对结构材料的要求也就比较高，在材料的选择上需要质量好同时经济合理的材料，同时在材料的使用上充分考虑材料的受力特点和力学性能，应尽量做到物尽其用，优化合理。

例如在钢筋混凝土的结构设计中，出于对钢筋混凝土材料中的高抗压性考虑，应该采用高标号的混凝土用于以受压为主的柱子，这样不但可以增加建筑使用的空间，减少构件的截面，同时也能减轻结构自身的重量。对于梁板而言，应该采用高强度的钢筋，因为钢筋的韧性较好，比较受弯，同时使用高强度的钢筋也为了减少钢筋的用量。此外，在钢筋混凝土材料的使用上要注意钢筋与混凝土之间的强度匹配，在实现材料最大性能发挥的同时，实现对材料的合理利用与节省，从而实现结构上的优化设计。

在实际的建筑施工建设中，因为建筑材料的选择和使用上出现问题而造成资金和材料上的浪费情况的很多。例如在混凝土的现浇板中，经常出现混凝土的标号过高的情况，高标号的混凝土在其并不能很好的发挥其高强度的特性，而且为了配合混凝土的高标准，对于板中的钢筋量也随之增加，因此不但造成了钢筋使用的浪费，也在增加了工程的造价。

四、结构计算上的优化

结构计算的优化同样也是建筑结构优化设计中的重要组成部分，针对结构计算的优化方面，要充分考虑下面几个方面的问题：

(一)不能盲目的依赖计算机

目前在建设结构的计算一般利用的都是计算机，但是计算机的使用并不是很万无一失的，由于计算软件上存在的缺陷而出现的计算错误时有发生，因此设计计算人员不能盲目的依赖计算机的计算，在使用计算机的同时，要对机构设计计算程度的基本理论研究清楚，同时要明确计算程序的限制条件和应用范围，从而得到正确的计算结果。

(二) 对数据的认真核对

在对数据认真计算的同时，也要对输入后的构建尺寸、几何图形以及相关数据进行认真的核对，达到准确无误，尽可能的避免输入错误、计算错误或者是计算分析结果上的错误而出现的误差。有些误差看上去很小，但是在建筑施工后体现出现的实际影响是巨大的，同时也会影响设计结果的经济性和安全性。

(三) 注意实际结构与计算模型的差异

通过计算机的模拟计算所得出的计算模型是建立在计算理论和设计程序之上的，而实际中的建筑结构所受到的影响因素是比较多同时难以计算的，这就意味计算模式和实际机构之间必然会存在一定程度上的差异，这种差异在结构计算中是必须要考虑在内的，否则就会影响计算结果以及结构设计的正确性。

五、建筑结构设计与其他专业的协调

在建筑结构设计中，要实现设计的优化，有时还要注重跟其他专业之间的协调，笔者在下文中以排水专业和电气专业为例，简要的谈论建筑结构设计与其他专业之间的协调

(一) 结构与给排水专业的协调

首先水泵间应尽可能的设置在建筑的地下室，这是由于给排水专用建筑中的设备较重，必须要选择承载量较大的房间; 在给排水房间中的预留孔和预埋见的尺寸和位置都必须要准确，同时要注重要楼板孔的加强，并且要避免水平的管道管过建筑梁柱;当管道穿过承重墙上必须要做好相应的加固措施; 同时在建筑设计中要充分考虑建筑的楼面负荷，避免将过多的管道出现在同一类的房间，从而出现承重超载。

(二) 结构与电气专业协调

在电气管线的设置上，如果实现对管线在楼板内的暗装比较困难的，可以采取将垂直管线在预制时将建筑房梁孔洞预留，并且要保证房梁的宽度和墙体的厚度尽可能的一致，从而确保穿梁的带暖气管线不会外露; 在对电梯机房的设置上，由于该建筑中的预埋见和空洞较多，从而增大了所需的荷载量，需要对该房间强度进行单独计算。

六、树立精品意识

对结构优化设计的过程是工程师打造设计精品的过程。要求工程师不仅要具备深厚扎实的专业基本理论基础、丰富的实际工作经验,更要有尽心尽力、精益求精、追求完美的精品意识。设计单位要提高市场竞争能力,必须实施精品倡议、走精品之路。改变以往在管理

上重业务经营轻技术质量,造成设计人不注重技术水平的提高,设计只要保证不出大的质量问题,方案的好坏、造价的高低无关紧要,使优化设计失去内在动力。导致对设计方案不认真进行经济分析,而是为保险起见,随意加大安全系数,造成投资浪费。只有在单位内部管理上把设计质量同个人效益挂钩, 才能提高设计人员的质量意识和经济观念,促使结构专业经济化。预算专业可以提前介入到结构设计的方案阶段,为工程师提供必要的经济分析数据,改变以前设计过程中不算帐,设计完了预算见分晓的现象,通过结构工程师与造价工程师对设计质量和经济指标进行全过程的控制, 实现设计产品技术质量与经济的统一。要落实各级技术岗位责任制,通过各环节层层把关,把提高设计质量、创设计精品的工作贯穿于整个设计过程之中。

七、结束语

综上所述，建筑结构设计的首要任务是满足建筑功能的需求,实现建筑物适用、安全、美观、经济的目标。建筑结构的优化设计是一个比较科学系统的设计过程，因为影响工程造价和建筑质量的因素有很多，所以在实际的建筑机构设计中，一定要充分的考虑各方面的因素，在每个细节上都力求优化，才能实现结构优化设计的最终目的。

参考文献

[1]史曼柏.住宅建筑结构优化设计的探讨[J].科技创新导报，2009 (21) .

[2]徐培福主编.复杂高层建筑结构设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.