結構優(yōu)化設計是指在給定的約束條件下，以重量最輕、成本最低、剛性最大等為目標，尋求最好的設計方案，稱為結構最佳設計或結構最佳設計，與結構分析相比，也稱為結構綜合的結構重量最小目前，許多建筑項目投資大，建設周期長，有效進行結構優(yōu)化設計，相應減少投資金額，建筑結構優(yōu)化設計是實現(xiàn)建筑本體功能和建筑投資成本的重要手段。

現(xiàn)階段，伴隨著市場經(jīng)濟的持續(xù)完善，建筑物的經(jīng)濟性能愈來愈高度重視。因此，用最少的材料和最低的成本建造符合規(guī)范和使用要求的建筑物是我們不懈的追求。但同時，如何保障建筑物的安全性能？因此，結構了結構優(yōu)化設計的作用！結構優(yōu)化設計不是簡單地減少混凝土和鋼筋的使用量，而是通過調(diào)整各部件剛性之間的比例關系，充分利用各部件的受力特征，發(fā)揮各自的優(yōu)點，使整體結構最佳化。

一、建筑結構優(yōu)化設計的基本原則是什么？

1、功能原則

建筑工程作為人類的基礎物質(zhì)生存環(huán)境，建筑結構優(yōu)化的最終目標是滿足人類對物質(zhì)生存環(huán)境的最大化需求，其結構設計效果大大決定工程建設的綜合效率。優(yōu)化建筑結構設計，不僅要滿足基礎功能，還要從美觀、協(xié)調(diào)性、舒適性等角度完善，從更大的方面滿足用戶對工程的綜合要求。

2、安全性原則

建筑作為人類生存的基礎生存環(huán)境，與人們密切相關。因此，迄今為止人們對建設的要求很高。在社會經(jīng)濟快速發(fā)展的背景下，必須優(yōu)化傳統(tǒng)建筑結構設計理念和方式。其中需要注意的是，建筑工程結構設計除了要滿足基本的使用需外，還需要滿足安全的使用要求，即為正常的生產(chǎn)生活提供安全的居住環(huán)境，提高工程結構建設的綜合要求。盲目追求建筑結構的優(yōu)化設計，忽視決策階段、設計階段、建筑階段的安全性，作為建筑不僅沒有實際意義，還給人類的正常生產(chǎn)和生活帶來致命的危害。

3、環(huán)境保護原則

建筑工程建設所需資源較多，在持續(xù)發(fā)展理由下，在進行結構設計時，不僅要保證功能要求，還要優(yōu)化資源利用。也就是說，選擇環(huán)境保護的施工材料，提高結構整體布局的環(huán)境保護性，貫徹到最后。在建筑資源材料的選擇上，要保證結構安全性、功能性和環(huán)境保護性的綜合要求，在實現(xiàn)主體內(nèi)部結構環(huán)境保護的基礎上，進行各廢棄材料的處理和應用，提高工程結構的綜合設計效果，降低對環(huán)境的影響[3]。

4、經(jīng)濟原則

經(jīng)濟是指通過建筑結構的優(yōu)化設計，最大限度地節(jié)約各種材料資源，達到降低建筑成本的目標。優(yōu)化建筑結構設計時，還應從設計成本上分析，控制結構設計成本，在滿足市場經(jīng)濟條件的基礎上提高各資源的合理配置。綜合分析經(jīng)濟原則和環(huán)境保護原則，選擇能源消耗低的材料，最大限度地減少各材料的利用，降低材料投入成本。此外，通過合理設計結構內(nèi)部，提高空間利用效率，在有限的成本范圍內(nèi)，獲得更有效的設計方案。

5、提高建筑舒適度的原則

好的建筑物應該是從建筑、結構、裝飾到給排水、暖通、空調(diào)、煤氣、電氣設置等各個專業(yè)的優(yōu)化設計組合，整體的優(yōu)化設計，如果只有某個專業(yè)的設計好的話，就不能被稱為好的建筑，結構設計也不例外的建筑結構設計最大限度地滿足建筑平面的配置、內(nèi)部空間的高度和建筑立面等的使用功能和外觀的要求因此，建筑結構的優(yōu)化設計應包括結構體系的優(yōu)化、傳輸途徑的科學性、部件配置的合理性、部件和材料選擇的正確性等內(nèi)容，盡量提高建筑投入使用后的舒適性，作為建筑結構優(yōu)化設計的重要基本原則。

6、不一樣構件采用不一樣的安全系數(shù)原則

現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板的約束作用，能夠極大地提升樓蓋梁的承載能力，最高能夠提升約1.5倍。目前國內(nèi)結構計算軟件無法正確反映現(xiàn)澆地板的約束作用。因此，根據(jù)力學的計算結果進行結構設計，對于現(xiàn)澆樓梁來說，安全系數(shù)相當高。

另一方面，通過對發(fā)生坍塌事故的工程進行事故原因的調(diào)查和分析，可以蓋和大樓梁的問題，結構破壞的工程實例極少，除非結構計算本身有錯誤，否則從眾多振動調(diào)查的工程實例中也可以看出，在地震力的作用下建筑物倒塌的主要原因是墻壁、柱子等縱向部件首先被破壞。

在實際結構設計中，如果不考慮部件的實際承載能力，對所有部件采用相同的安全系數(shù)，建筑結構在安全性和經(jīng)濟性方面就不合理。因此，在構造設計時，獨立構件、靜態(tài)構造和垂直部件應采用較大的安全系數(shù)，適當降低地板和地板梁的安全系數(shù)，降低工程成本，提高結構的綜合安全度。

二、建筑結構優(yōu)化設計有什么作用？

1、降低總成本

在結構優(yōu)化設計中，多層住宅與高層住宅相比，層數(shù)越多，總建筑面積越大，單位建筑面積占有的土地面積越小，節(jié)約了用地成本，但建筑層數(shù)越多，建筑總高度也越大，大樓與大樓之間的間隔對于基礎部分，各層共有，但層數(shù)增加，傳遞給基礎的負荷增加，需要增加基礎，單位面積成本下降，但屋頂效果不明顯。

2、提高建筑結構經(jīng)濟性

高層建筑的建設成本成為必須考慮的重要因素，對應的結構成本更加嚴格控制。一個設計人員在保證建筑質(zhì)量的基礎上，采用合理的計算模型、計算參數(shù)、設計負荷、結構措施和合理的計算指標是實現(xiàn)經(jīng)濟合理鋼含量的重要途徑，必須認真結合規(guī)范和具體工程情況進行選擇，根據(jù)規(guī)范和結構概念合理使用計算結果進行設計，必要時采用手工計算復核。目前，筆者在某高層建筑工程的兩種狀態(tài)下比較了結構計算結果。

三、建筑結構優(yōu)化設計應注意哪些問題？

結構設計優(yōu)化設計應用于新項目前期設計、施工圖設計和舊房改造等設計的各個部分，多種利益非常大。在模型實踐和結構設計優(yōu)化過程中，應注意以下幾點:

(1)參與前期設計。建筑總投資受前期方案的直接影響，目前存在的問題大多不參與前期方案階段的結構設計，建筑師在設計方案時多不考慮結構的可行性和合理性，但建筑設計的最終結果直接影響結構設計，有些方案可能增加結構設計的難易度，提高建筑總投資。如果在方案初期，可以參與結構優(yōu)化設計，我們可以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，獲得良好的開端。

(2)基礎結構設計。基礎結構設計的優(yōu)化首先是選擇最合適的方案，如果是樁基，必須根據(jù)施工現(xiàn)場的具體情況選擇樁基類型，節(jié)約成本，減少不必要的浪費。對灌注樁的選擇影響較大的是樁端的持力層，為了確定最佳方案，必須進行更多的比較。

(3)優(yōu)化細節(jié)結構設計。概念設計應用有具體數(shù)值量化的情況下應用，在設計過程中要設計者靈活運用結構設計優(yōu)化方法，達到最佳效果。與宏觀把握相對應，在設計過程中，要注意細節(jié)結構設計的優(yōu)化。例如，現(xiàn)澆板中異形板的拐角容易出現(xiàn)裂縫，必須設置放射線筋分為矩形板。立面設計時，外立面懸掛板和配筋只要滿足規(guī)范的結構要求，就能達到安全經(jīng)濟的目的。

四、建筑結構優(yōu)化設計方法是什么？

1、并行算法

高層建筑結構的主要因素是結構的抵抗水平力的性能。因此，抗側移性能的強弱成為高層建筑結構設計的重要因素，是衡量建筑結構安全性、穩(wěn)定性能的標準。

在建筑結構中，單位建筑結構面積的結構材料中，承擔重力負荷的結構材料的使用量與房屋層數(shù)近似成正比線性關系。另外，用于建筑結構屋頂?shù)慕Y構材料的使用量幾乎是定值，不會隨結構的層數(shù)而變化，但是用于墻壁、柱子等結構部件的材料的使用量根據(jù)大樓的層數(shù)成線性的正比增加，對于抵抗側向移動的結構材料的使用量，與大樓結構層數(shù)的二次方的關系增加了。

2、可靠性優(yōu)化法

選擇非地震災區(qū)高層建筑結構時，應優(yōu)先選擇抗風性能好的結構體系，即風壓體型系數(shù)小的建筑結構體系。例如，構造外形曲線型變化的建筑構造圓形、橢圓形等，構造由下向上逐漸減少的錐形系統(tǒng)的風壓體系數(shù)小，有助于抵抗風。另外，在對結構進行平面布置時，適用于選擇結構平面形狀和結構剛分布均勻?qū)ΨQ的結構系統(tǒng)類型，大大降低風荷作用下扭轉(zhuǎn)效果引起的結構變形和內(nèi)力影響。

3、高層系統(tǒng)優(yōu)化法

建筑使用性能的差異，對內(nèi)部空間的要求不同。同時，如果高層建筑結構的使用功能不同，平面配置也會發(fā)生變化。通常，住宅和酒店的客房等應該采用小空間的平面配置方案的辦公大樓適合采用大小空間的百貨商店、酒店、展覽室、工廠現(xiàn)場等，適合采用大空間的平面配置的宴會廳、舞廳要求結構內(nèi)沒有柱子的大空間。由于不一樣的構造體系能夠出示的內(nèi)部空間尺寸不一樣，因此在建筑構造設計階段，最先要依據(jù)建筑構造的使用功能，挑選合適的構造類型。

五、建筑結構優(yōu)化設計措施是什么？

1、加強剪力墻的設計

剪力墻壁肢體的試驗研究也表明，軸壓比超過一定值，難以成為延性剪力墻。影響壓彎部件延展性或屈服后變形能力的因素有截面尺寸、混凝土強度等級、縱向配筋、軸壓比、帶量等，其主要因素是軸壓比和帶特征值。連肢壁由連梁連接的各壁肢連接而成，增加了壁肢的制約條件。梁的剛性增大會增大結構的地震作用，梁和墻壁的分配內(nèi)力也會相應增大，此時必須增大部件的筋量，這個設計結果必然會浪費材料。

2、注重細節(jié)優(yōu)化

(1)在注重整體設計的同時，還要加強結構部件的細致設計。例如，在現(xiàn)澆板的設計中，盡量將異形板分成矩形板，達到合理受力的目的，避免角落裂縫。

(2)底部框架抗震墻底部框架梁帶帶帶帶帶帶帶帶帶帶帶帶帶帶帶帶帶帶帶帶帶帶帶帶帶帶帶帶另外，為了減少底部截面，采用高強度混凝土是柱構件的好選擇，但水平構件混凝土適當減少混凝土標志，滿足力量要求，節(jié)約成本

(3)隨著計算機技術和結構優(yōu)化設計理論的結合，利用計算機分析軟件構筑優(yōu)化設計的分析模型，采用高效的計算機優(yōu)化計算方法，構造設計達到的目標要求在具體的優(yōu)化設計過程中，優(yōu)化設計實際上從工程問題轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)學問題。

3、結構設計優(yōu)化方法的應用

結構設計優(yōu)化方法和技術的應用具體體現(xiàn)在房屋工程結構整體的優(yōu)化設計和房屋工程分部結構的優(yōu)化設計兩個方面。其中住宅工程分部結構優(yōu)化設計包括基礎結構方案優(yōu)化設計、屋頂系統(tǒng)方案優(yōu)化設計、圍護結構方案優(yōu)化設計和結構細節(jié)設計優(yōu)化設計。以上幾個方面的優(yōu)化設計還包括選擇、配置、受力分析、成本分析等內(nèi)容，在滿足設計規(guī)范和使用要求的前提下，結合具體工程的實際情況，以綜合經(jīng)濟效益為中心進行結構優(yōu)化設計。

4、結構設計優(yōu)化方法的實踐價值

在滿足建筑結構長期利益的前提下，應盡量減少建筑結構近期投資，提高建筑結構的可靠性和合理性。與傳統(tǒng)設計相比，采用設計優(yōu)化技術可降低建筑工程成本5%-30%。優(yōu)化技術的實現(xiàn)可以最合理地利用材料的性能，最好地協(xié)調(diào)建筑結構內(nèi)部各單元，具有建筑規(guī)范規(guī)定的安全性。同時，它還可以為建筑整體方案設計做出合理，優(yōu)化技術是實現(xiàn)建筑設計適用、安全、經(jīng)濟目標的有效途徑。