论文部分内容阅读
摘要：本文介绍了建筑结构优化設计的基本原则，并从五方面重点探讨了建筑结构优化设计的措施，最后对建筑结构优化设计的新思路及辅助手段做了阐述。
关键词：建筑结构； 优化设计； 剪力墙；
中图分类号： TU2 文献标识码： A
一、建筑结构优化设计的基本原则
（一）功能性
建筑是人类的基础物质生存环境，建筑结构优化的终极目标就是为了满足人类对物质生存环境的最大化需求。对功能性的满足也不再局限于传统的实用性功能，而是增添了舒适性、 美观性、协调性等多种新元素， 满足人类对基础物质生存环境的更高要求。
（二）安全性
建筑作为人类生存的基础生存环境，与人类的生产、生活紧密相关，安全性成为建筑结构优化设计的必然考虑因素。一味追求建筑结构的优化设计，忽略决策阶段、设计阶段、建设阶段的安全性，其作为建筑不但没有任何实际意义，反而会给人类正常生产和生活带来致命的危害。因此， 安全性是结构优化设计中的必然考虑因素。
（三）经济性
建筑结构优化设计的经济性是市场经济条件下对资源配置提出的新要求。经济性是指通过建筑结构的优化设计，最大化的节约各种材料资源，达到减少建设成本的目标。另外，各种材料资源都存在一定的稀缺特性，建筑结构的优化设计能科学合理的减少材料的使用量，节省建设材料使用成本。
（四）环保性
建筑结构设计的环保性是继经济性之后的一大更高要求，建筑结构优化设计过程通过材料选用品种的环保、整体布局的环保来体现可持续的发展理念。在建筑资源的材料选用方面，在保证建筑本体功能性、安全性的基础上，最大可能的选择节能环保型材料，同时，在结构优化的整体布局中，不仅强调建筑主体内部结构的统一与环保，也包括建筑建设过程中废旧材料的处理与应用，更不能忽略建筑未来使用过程中对环境产生的重要影响。另外，材料选用的环保、整体布局的环保也是结构优化设计过程中安全性的体现。
二、建筑结构优化设计的主要措施
（一）剪力墙的优化设计
剪力墙设计中连梁的设计是关键。联肢墙是通过连梁连接的各墙肢联结而成， 从而增加了墙肢的约束条件。连梁的刚度增大必将使得结构的地震作用也增大，这样连梁和墙肢分配内力也相应增大，此时必须增大构件的配筋量，显然这一设计结果必然会造成材料的浪费。因此，在住宅结构设计时，有经验的设计师都不会采用大刚度的窗下墙作为连梁，而是将连梁设计成为截面、刚度较小的弱连梁。同时，在满足结构刚度与变形要求时，应从经济角度与抗力、变形方面综合考虑，合理布置抗侧力构件。显然，剪力墙数量越多，结构抗侧力刚度愈大，相应结构位移会减小，但是结构地震力会随抗侧力刚度增大而加大，对结构的造价控制不利。因此剪力墙应以周边均匀、对称、分散等原则合理布置，以规范规定的水平位移限值为准尽可能减少剪力墙数量。
（二）建筑结构形式的优化
不同的建筑类别和功能要求决定了户型的选择，从砌体结构、 底部剪力墙结构和梁的选用与布置谈起。
1、加强砌体结构的设计
作为承重构件和抗侧移构件的砖砌体，其平面布置较为灵活，但不适宜做跃层结构，杜绝受力较大的突兀结构形式。门窗开洞宽度不宜超过2.1m，纵向墙体数量不宜少于三道，这一措施可以适当减少构造柱的配筋。
2、加强底部框架剪力的设计
底部为框架剪力墙的结构由于竖向抗侧力构件不连续，使得设计中受力平衡容易出现问题，因此对建筑平面的要求较为严格。承重墙尽量放在框架梁上，如果出现放在次梁上的墙体时，应加大该次梁、主梁、框架梁的配筋，加厚该处的楼板厚度。结构楼板不能随便错层，只有在楼板上填轻质材料实现的方式才可行。户型设计中宜让大房间布置在临街面，卫生间、厨房等小房间布置在背面，这样方便临街面柱网的布置等。
3、梁的选用与布置
常规梁经济性最好，但严重影响建筑层高，尤其是在目前土地资源有限的情况下，最终还是无法实现社会整体经济效益的最大化；宽扁梁能减少梁的截面高度，增加建筑物的净高。在建筑物总高度限制的情况下，可以增加层数，以获得更多的建筑面积。但宽扁梁在经济指标上与常规梁相比并不是最优，由于 y 方向截面高度减小，使得纵向钢筋的配筋率较高，同时挠度偏大。在跨度进一步加大的情况下,也可采用预应力梁，以满足建筑物的特殊要求，但费用较高。此外，高层建筑框架柱截面大小主要由轴压比控制，在上部轴力一定的情况下，可以通过加大柱截面、提高混凝土设计强度、加大柱箍筋、采用钢混凝土柱等不同方法来控制柱轴压比，最大化程度保证功能性与安全性。
（三）基础设计荷载取值的优化
对于框架结构，建筑物的柱下基础一般设计为相互独立的。对于层数低于8层且高度低于 25 米的普通建筑，若地基的关键受力部位不在软性粘质土层，则可以省去基础抗震能力的校验步骤。此外，验算独立基础的尺寸大小时，应取轴力设计值。若取为剪应力设计值或弯矩设计值则会使设计的独立基础尺寸偏小，可能会对建筑物上部结构的安全造成威胁。
（四）箍筋与框架梁间距的优化
对于抗震等级不同的框架，箍筋与框架梁的间距不同。一般情况下，加密区箍筋与框架梁的间距不超过 10cm，非加密区钢筋与框架梁的间距不超过 20cm。合理地设计箍筋直径及其箍筋与框架梁的间距对建筑工程结构设计的优化具有重要意义。需要注意的是，在设计非加密区柱、梁的配筋时，不需考虑高剪应力弱弯矩的规定，即可以不计算剪应力的增大系数及弯矩的减少量。
（五）提高材料的利用率
结构设计的目的便是花尽可能少的钱，做最安全、适用的建筑，这就要求结构设计时对材料的选用要合理，利用要充分。要根据结构构件的不同受力特点、工作环境和材料的力学性能特点，选用合适的建筑材料。在钢筋混凝土结构中，以受压为主的柱子，就要充分发挥钢筋混凝土材料中混凝土抗压性能好的特点，尽可能采用高标号混凝土，不但可以减小构件截面，增加使用空间，还能减轻结构自重。梁板以受弯为主，可采用高强度钢筋，以减少钢筋用量，同时要注意钢筋混凝土结构中钢筋与混凝土强度的匹配，最大限度地发挥出材料的性能。
三、建筑结构优化设计的新思路及辅助手段
（一）概念设计优化
对于同一个建筑方案可以有不同的实现途径和结构设计；对于我们分析的设计方案，由于参数、荷载、所用的材料的不同都会导致各项的取值是不尽相同的，对于建筑物结构设计的细节处理方法也不是唯一的，这就需要我们设计人员根据自己多年的经验和实际的理论以及当时的情况进行自行的判断，计算机是无法解决这些不确定的问题的。但是我们的判断也只能在结构设计规律的指导下进行主观的概念设计，而这种概念设计是设计人员在多种备选方案中的选择过程。
（二）结构设计的优化分解法
该方法是将建筑工程结构设计的优化问题分解成比较小的子问题， 如基础、屋架、梁、柱等。优化过程分为两级。第一级是对各个子问题单独进行优化处理。这时可以根据各种不同类型的结构如框架、梁、柱等即各子问题的特点，分别采用各不相同的优化方法。第二级是对第一级子问题的优化方法进行综合调整。循环几次后，即可得到各自适应的优化方法。这种方法的优化过程具有良好的收敛性，且计算工作量较小。
（三）结构设计的变换分析优化求解法
该方法是把优化目标当作优化依据，对影响结构设计的各个因素进行分析， 从而得出一个规律或者方向，以指导结构设计的优化。继而再用优化方法达到结构整体最优化的目的。
（四）借助计算机进行准确的结构计算
一体化计算机结构设计程序的不断完善和全面应用，使结构工程师从繁重复杂的结构计算中解脱出来。工程师可以在概念、经验和估算的基础上借助计算机进行可靠的分析计算，经过多次计算比较和调整，使结构设计更加合理和经济。在利用计算机结构设计程序进行结构计算时，要注意以下问题：不能盲目的依赖计算机，对于输入的几何图形，构件尺寸、荷载数据等应认真核对、力求准确无误，对计算参数的选取要正确合理，注意实际结构与计算模型的差异。
四、结束语
综上，优质的结构优化设计不仅能够保证房屋建筑使用的安全和经济，还能最大程度地降低工程造价，控制工程投资，进而获得更多的经济效益。这就需要房屋建筑结构工程师在设计中发扬精益求精的精神，不断运用各种手段优化建筑结构设计方案，设计出更经济、安全、适用的建筑产品。
参考文献
[1]JGJ3—2010 高层建筑混凝土结构技术规程[S].中国建筑工业出版社， 2011.
[2]苏英.高层建筑结构设计的几个问题[J].科技信息(学术研究)，2007.16.
[3]罗福年， 张慧英， 杨军．建筑结构概念设计及案例[M].北京:清华大学出版社，2003.
[4]肖燕武.浅谈建筑结构设计的安全度[J].科技创新导报，2007.35.
关键词：建筑结构； 优化设计； 剪力墙；
中图分类号： TU2 文献标识码： A
一、建筑结构优化设计的基本原则
（一）功能性
建筑是人类的基础物质生存环境，建筑结构优化的终极目标就是为了满足人类对物质生存环境的最大化需求。对功能性的满足也不再局限于传统的实用性功能，而是增添了舒适性、 美观性、协调性等多种新元素， 满足人类对基础物质生存环境的更高要求。
（二）安全性
建筑作为人类生存的基础生存环境，与人类的生产、生活紧密相关，安全性成为建筑结构优化设计的必然考虑因素。一味追求建筑结构的优化设计，忽略决策阶段、设计阶段、建设阶段的安全性，其作为建筑不但没有任何实际意义，反而会给人类正常生产和生活带来致命的危害。因此， 安全性是结构优化设计中的必然考虑因素。
（三）经济性
建筑结构优化设计的经济性是市场经济条件下对资源配置提出的新要求。经济性是指通过建筑结构的优化设计，最大化的节约各种材料资源，达到减少建设成本的目标。另外，各种材料资源都存在一定的稀缺特性，建筑结构的优化设计能科学合理的减少材料的使用量，节省建设材料使用成本。
（四）环保性
建筑结构设计的环保性是继经济性之后的一大更高要求，建筑结构优化设计过程通过材料选用品种的环保、整体布局的环保来体现可持续的发展理念。在建筑资源的材料选用方面，在保证建筑本体功能性、安全性的基础上，最大可能的选择节能环保型材料，同时，在结构优化的整体布局中，不仅强调建筑主体内部结构的统一与环保，也包括建筑建设过程中废旧材料的处理与应用，更不能忽略建筑未来使用过程中对环境产生的重要影响。另外，材料选用的环保、整体布局的环保也是结构优化设计过程中安全性的体现。
二、建筑结构优化设计的主要措施
（一）剪力墙的优化设计
剪力墙设计中连梁的设计是关键。联肢墙是通过连梁连接的各墙肢联结而成， 从而增加了墙肢的约束条件。连梁的刚度增大必将使得结构的地震作用也增大，这样连梁和墙肢分配内力也相应增大，此时必须增大构件的配筋量，显然这一设计结果必然会造成材料的浪费。因此，在住宅结构设计时，有经验的设计师都不会采用大刚度的窗下墙作为连梁，而是将连梁设计成为截面、刚度较小的弱连梁。同时，在满足结构刚度与变形要求时，应从经济角度与抗力、变形方面综合考虑，合理布置抗侧力构件。显然，剪力墙数量越多，结构抗侧力刚度愈大，相应结构位移会减小，但是结构地震力会随抗侧力刚度增大而加大，对结构的造价控制不利。因此剪力墙应以周边均匀、对称、分散等原则合理布置，以规范规定的水平位移限值为准尽可能减少剪力墙数量。
（二）建筑结构形式的优化
不同的建筑类别和功能要求决定了户型的选择，从砌体结构、 底部剪力墙结构和梁的选用与布置谈起。
1、加强砌体结构的设计
作为承重构件和抗侧移构件的砖砌体，其平面布置较为灵活，但不适宜做跃层结构，杜绝受力较大的突兀结构形式。门窗开洞宽度不宜超过2.1m，纵向墙体数量不宜少于三道，这一措施可以适当减少构造柱的配筋。
2、加强底部框架剪力的设计
底部为框架剪力墙的结构由于竖向抗侧力构件不连续，使得设计中受力平衡容易出现问题，因此对建筑平面的要求较为严格。承重墙尽量放在框架梁上，如果出现放在次梁上的墙体时，应加大该次梁、主梁、框架梁的配筋，加厚该处的楼板厚度。结构楼板不能随便错层，只有在楼板上填轻质材料实现的方式才可行。户型设计中宜让大房间布置在临街面，卫生间、厨房等小房间布置在背面，这样方便临街面柱网的布置等。
3、梁的选用与布置
常规梁经济性最好，但严重影响建筑层高，尤其是在目前土地资源有限的情况下，最终还是无法实现社会整体经济效益的最大化；宽扁梁能减少梁的截面高度，增加建筑物的净高。在建筑物总高度限制的情况下，可以增加层数，以获得更多的建筑面积。但宽扁梁在经济指标上与常规梁相比并不是最优，由于 y 方向截面高度减小，使得纵向钢筋的配筋率较高，同时挠度偏大。在跨度进一步加大的情况下,也可采用预应力梁，以满足建筑物的特殊要求，但费用较高。此外，高层建筑框架柱截面大小主要由轴压比控制，在上部轴力一定的情况下，可以通过加大柱截面、提高混凝土设计强度、加大柱箍筋、采用钢混凝土柱等不同方法来控制柱轴压比，最大化程度保证功能性与安全性。
（三）基础设计荷载取值的优化
对于框架结构，建筑物的柱下基础一般设计为相互独立的。对于层数低于8层且高度低于 25 米的普通建筑，若地基的关键受力部位不在软性粘质土层，则可以省去基础抗震能力的校验步骤。此外，验算独立基础的尺寸大小时，应取轴力设计值。若取为剪应力设计值或弯矩设计值则会使设计的独立基础尺寸偏小，可能会对建筑物上部结构的安全造成威胁。
（四）箍筋与框架梁间距的优化
对于抗震等级不同的框架，箍筋与框架梁的间距不同。一般情况下，加密区箍筋与框架梁的间距不超过 10cm，非加密区钢筋与框架梁的间距不超过 20cm。合理地设计箍筋直径及其箍筋与框架梁的间距对建筑工程结构设计的优化具有重要意义。需要注意的是，在设计非加密区柱、梁的配筋时，不需考虑高剪应力弱弯矩的规定，即可以不计算剪应力的增大系数及弯矩的减少量。
（五）提高材料的利用率
结构设计的目的便是花尽可能少的钱，做最安全、适用的建筑，这就要求结构设计时对材料的选用要合理，利用要充分。要根据结构构件的不同受力特点、工作环境和材料的力学性能特点，选用合适的建筑材料。在钢筋混凝土结构中，以受压为主的柱子，就要充分发挥钢筋混凝土材料中混凝土抗压性能好的特点，尽可能采用高标号混凝土，不但可以减小构件截面，增加使用空间，还能减轻结构自重。梁板以受弯为主，可采用高强度钢筋，以减少钢筋用量，同时要注意钢筋混凝土结构中钢筋与混凝土强度的匹配，最大限度地发挥出材料的性能。
三、建筑结构优化设计的新思路及辅助手段
（一）概念设计优化
对于同一个建筑方案可以有不同的实现途径和结构设计；对于我们分析的设计方案，由于参数、荷载、所用的材料的不同都会导致各项的取值是不尽相同的，对于建筑物结构设计的细节处理方法也不是唯一的，这就需要我们设计人员根据自己多年的经验和实际的理论以及当时的情况进行自行的判断，计算机是无法解决这些不确定的问题的。但是我们的判断也只能在结构设计规律的指导下进行主观的概念设计，而这种概念设计是设计人员在多种备选方案中的选择过程。
（二）结构设计的优化分解法
该方法是将建筑工程结构设计的优化问题分解成比较小的子问题， 如基础、屋架、梁、柱等。优化过程分为两级。第一级是对各个子问题单独进行优化处理。这时可以根据各种不同类型的结构如框架、梁、柱等即各子问题的特点，分别采用各不相同的优化方法。第二级是对第一级子问题的优化方法进行综合调整。循环几次后，即可得到各自适应的优化方法。这种方法的优化过程具有良好的收敛性，且计算工作量较小。
（三）结构设计的变换分析优化求解法
该方法是把优化目标当作优化依据，对影响结构设计的各个因素进行分析， 从而得出一个规律或者方向，以指导结构设计的优化。继而再用优化方法达到结构整体最优化的目的。
（四）借助计算机进行准确的结构计算
一体化计算机结构设计程序的不断完善和全面应用，使结构工程师从繁重复杂的结构计算中解脱出来。工程师可以在概念、经验和估算的基础上借助计算机进行可靠的分析计算，经过多次计算比较和调整，使结构设计更加合理和经济。在利用计算机结构设计程序进行结构计算时，要注意以下问题：不能盲目的依赖计算机，对于输入的几何图形，构件尺寸、荷载数据等应认真核对、力求准确无误，对计算参数的选取要正确合理，注意实际结构与计算模型的差异。
四、结束语
综上，优质的结构优化设计不仅能够保证房屋建筑使用的安全和经济，还能最大程度地降低工程造价，控制工程投资，进而获得更多的经济效益。这就需要房屋建筑结构工程师在设计中发扬精益求精的精神，不断运用各种手段优化建筑结构设计方案，设计出更经济、安全、适用的建筑产品。
参考文献
[1]JGJ3—2010 高层建筑混凝土结构技术规程[S].中国建筑工业出版社， 2011.
[2]苏英.高层建筑结构设计的几个问题[J].科技信息(学术研究)，2007.16.
[3]罗福年， 张慧英， 杨军．建筑结构概念设计及案例[M].北京:清华大学出版社，2003.
[4]肖燕武.浅谈建筑结构设计的安全度[J].科技创新导报，2007.35.