導(dǎo)讀：結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是指在給定約束條件下，按某種目標(biāo)，如重量最輕、成本最低、剛度最大等，求出最好的設(shè)計(jì)方案，曾稱為結(jié)構(gòu)最佳設(shè)計(jì)或結(jié)構(gòu)最優(yōu)設(shè)計(jì)，相對(duì)于“結(jié)構(gòu)分析”而言，又稱“結(jié)構(gòu)綜合”；如以結(jié)構(gòu)的重量最小為目標(biāo)，則稱為最小重量設(shè)計(jì)。當(dāng)前，很多建筑項(xiàng)目由于投資大，建設(shè)周期長，所以有效進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠相應(yīng)的減少投資金額，建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，是實(shí)現(xiàn)建筑本體功能與建筑投資成本的關(guān)鍵性手段。
現(xiàn)階段，隨著市場經(jīng)濟(jì)的不斷完善，建筑物的經(jīng)濟(jì)性能越來越受到重視。所以，用最少的材料或者最少的造價(jià)來建造出滿足規(guī)范和使用要求的建筑物，是我們不懈的追求。但同時(shí)，我們要如何來保障建筑物的安全性能呢？所以，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)作用就體現(xiàn)出來了！結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)并不是簡簡單單的減少混凝土和鋼筋的用量，而是要通過調(diào)整各構(gòu)件剛度之間的比例關(guān)系，充分利用各構(gòu)件的受力特點(diǎn)，發(fā)揮它們各自的長處，使整體結(jié)構(gòu)達(dá)到最優(yōu)。
一、建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)基本原則有哪些？
1、功能性原則
建筑工程作為人類基礎(chǔ)物質(zhì)生存環(huán)境，建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的終極目標(biāo)就是為了滿足人類對(duì)物質(zhì)生存環(huán)境的最大化需求，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果將會(huì)在很大程度上決定工程建設(shè)綜合效率。對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，除了要滿足基礎(chǔ)功能外，還需要從美觀性、協(xié)調(diào)性、舒適性等角度進(jìn)行完善，從更大的方面來滿足用戶對(duì)工程綜合性要求。
2、安全性原則
建筑作為人類生存的基礎(chǔ)生存環(huán)境，與人們存在密切的聯(lián)系。因此，一直以來人們對(duì)其建設(shè)要求都比較高。在社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展背景下，必須要對(duì)傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念與方式進(jìn)行優(yōu)化。其中應(yīng)注意，建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)除了要滿足基本使用需求外，還需要滿足安全使用要求，即為正常生產(chǎn)生活提供安全的居住環(huán)境，提高工程結(jié)構(gòu)建設(shè)的綜合要求。一味追求建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，忽略決策階段、設(shè)計(jì)階段、建設(shè)階段的安全性，其作為建筑不但沒有任何實(shí)際意義，反而會(huì)給人類正常生產(chǎn)和生活帶來致命的危害。
3、環(huán)保性原則
建筑工程建設(shè)所需資源眾多，而在持續(xù)發(fā)展理下，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)除了要保證功能要求外，還應(yīng)做好對(duì)資源利用的優(yōu)化。即選擇環(huán)保施工材料，并提高結(jié)構(gòu)整體布局的環(huán)保性，將持續(xù)發(fā)展貫徹到底。對(duì)于建筑資源材料的選擇上，要保證其能夠滿足結(jié)構(gòu)安全性、功能性與環(huán)保性綜合要求，并且在實(shí)現(xiàn)主體內(nèi)部結(jié)構(gòu)環(huán)?；A(chǔ)上，做好各項(xiàng)廢舊材料的處理與應(yīng)用，提高工程結(jié)構(gòu)綜合設(shè)計(jì)效果，降低對(duì)環(huán)境的影響[3]。
4、經(jīng)濟(jì)性原則
經(jīng)濟(jì)性是指通過建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，最大化的節(jié)約各種材料資源，達(dá)到減少建設(shè)成本的目標(biāo)。對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)從設(shè)計(jì)成本上進(jìn)行分析，控制好結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造價(jià)，在滿足市場經(jīng)濟(jì)條件基礎(chǔ)上提高對(duì)各項(xiàng)資源的合理配置。需要將經(jīng)濟(jì)性原則與環(huán)保性原則進(jìn)行綜合分析，選擇能耗低類材料，并最大程度上減少各項(xiàng)材料的利用，降低材料投入成本。另外，通過對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的合理設(shè)計(jì)，提高對(duì)空間的利用效率，在有限的成本范圍內(nèi)，獲得更有效的設(shè)計(jì)方案。
5、提高建筑舒適度原則
一個(gè)好的建筑物，應(yīng)該是從建筑、結(jié)構(gòu)、裝飾裝修到給排水、暖通、空調(diào)、燃?xì)?、電氣安裝等各專業(yè)的優(yōu)化設(shè)計(jì)組合，是整體優(yōu)化設(shè)計(jì)，如果僅僅是某個(gè)專業(yè)設(shè)計(jì)得好，是不可能被稱作是一個(gè)好建筑的，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也不能例外的；建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要能最大程度地滿足建筑平面布置、內(nèi)部空間高度和建筑立面等使用功能和外形觀感的要求，投入使用后，使用戶在工作和生活中感到很舒適，使建筑真正成為人人贊美的好建筑，這才是建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)。因此，建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)包含結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)選、傳力途徑的科學(xué)性、構(gòu)件布置的合理性、構(gòu)件和材料選用的正確性等內(nèi)容；應(yīng)該把盡可能提高建筑投入使用后的舒適度作為建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的一條重要基本原則。
6、不同構(gòu)件采用不同安全系數(shù)原則
現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板的約束作用，可以在很大程度上提高樓蓋梁的承載能力，最高時(shí)可提高約1.5倍。而現(xiàn)行國內(nèi)結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件卻不能準(zhǔn)確反映現(xiàn)澆樓板的這種約束作用。因此，按力學(xué)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的話，對(duì)現(xiàn)澆樓蓋梁而言，它的安全系數(shù)就偏高了許多。
另一方面，從對(duì)出現(xiàn)垮塌事故的工程進(jìn)行事故原因調(diào)查和分析可以得知，由于樓蓋或樓蓋梁的問題而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的工程實(shí)例極少，除非是結(jié)構(gòu)計(jì)算本身有誤；從許多震害調(diào)查的工程實(shí)例中也可得知，在地震力作用下建筑倒塌的主要原因，也大多是由于墻、柱等豎向構(gòu)件首先遭到破壞所致。
在實(shí)際的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中，若不考慮構(gòu)件的實(shí)際承載能力，對(duì)所有構(gòu)件采取相同的安全系數(shù)，就會(huì)造成建筑結(jié)構(gòu)在安全性和經(jīng)濟(jì)性方面的不合理。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)獨(dú)立構(gòu)件、靜定結(jié)構(gòu)和豎向構(gòu)件應(yīng)采用較大的安全系數(shù)，而對(duì)樓板和樓蓋梁的安全系數(shù)可予以適當(dāng)降低，這樣處理既可以降低工程造價(jià)，又可提高結(jié)構(gòu)的綜合安全度。
二、建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)有哪些作用？
1、降低總造價(jià)
進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，多層住宅和高層住宅相比較，層數(shù)越多，總建筑面積增大，單位建筑面積占用的土地面積就越小，節(jié)約了用地成本，但建筑層數(shù)的增多，建筑總高度也會(huì)加大，樓與樓之間的間距 也要加大，這時(shí)占用的土地節(jié)約量就不與建筑層數(shù)增加比例相同了。對(duì)于基礎(chǔ)部分而言，雖然也是各層共用的，但是層數(shù)增加，傳給基礎(chǔ)的荷載將會(huì)增大，我們需要增大基礎(chǔ)，這樣單位面積的造價(jià)有所降低，但是卻沒有屋蓋的效果那樣明顯。
2、提高建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性
高層建筑的建設(shè)成本成了不得不考慮的重要因素，對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)成本更是嚴(yán)格控制。一個(gè)設(shè)計(jì)人員在保證建筑質(zhì)量的基礎(chǔ)上，采用合理的計(jì)算模型、計(jì)算參數(shù)、設(shè)計(jì)荷載、構(gòu)造措施及合理的計(jì)算指標(biāo)是達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理含鋼量的重要途徑，應(yīng)認(rèn)真結(jié)合規(guī)范和具體工程情況進(jìn)行選擇，并依據(jù)規(guī)范和結(jié)構(gòu)概念合理使用計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)，必要時(shí)采用手算復(fù)核?，F(xiàn)筆者以某高層建筑物工程兩種狀態(tài)下結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果加以比較說明。
三、建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)注意哪些問題？
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用于新項(xiàng)目的前期設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)和舊房改造等設(shè)計(jì)的各個(gè)部分，多種效益都是非?？捎^的。在模型進(jìn)行實(shí)踐以及按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法過程中，要注意以下幾個(gè)方面：
（1）前期的設(shè)計(jì)參與。建筑總投資受前期方案的直接影響，所以現(xiàn)在存在的問題大都是前期方案階段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并不參與進(jìn)行，建筑師進(jìn)行設(shè)計(jì)方案時(shí)大多也不考慮結(jié)構(gòu)的可行性及合理性，而建筑設(shè)計(jì)的最終結(jié)果卻直接對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造成影響，某些方案可能會(huì)增加結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度，并使得建筑總投資提高。如果在方案初期，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)就能參與進(jìn)來，那么我們就能針對(duì)不同的建筑類別，選擇合理的結(jié)構(gòu)形式，合理的設(shè)計(jì)方案，獲得一個(gè)良好的開端。
（2）地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。地基基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化首先就是選擇最恰當(dāng)?shù)姆桨?，如果為樁基礎(chǔ)，一定得依據(jù)施工現(xiàn)場的具體情況選擇樁基類型，節(jié)省成本，減少不必要的浪費(fèi)。對(duì)灌注樁的選擇影響較多的就是樁端持力層，應(yīng)多進(jìn)行比較以確定最合適的方案。
（3）細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化。概念設(shè)計(jì)應(yīng)用于沒有具體數(shù)值量化的情況，設(shè)計(jì)過程中需要設(shè)計(jì)人員靈活運(yùn)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，達(dá)到最佳的效果。與宏觀把握相對(duì)應(yīng)，設(shè)計(jì)過程同時(shí)要注意對(duì)于細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，比如現(xiàn)澆板中的異形板拐角處易出現(xiàn)裂縫，應(yīng)加設(shè)放射筋或劃分為矩形板。在做立面設(shè)計(jì)的時(shí)候，外立面上的懸挑板及配筋，滿足規(guī)范的構(gòu)造要求即可，達(dá)到既安全又經(jīng)濟(jì)的目的。
四、建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法有哪些？
1、并行算法
高層建筑結(jié)構(gòu)的主要因素是結(jié)構(gòu)的抵抗水平力的性能。因此，抗側(cè)移性能的強(qiáng)弱成為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，且是衡量建筑結(jié)構(gòu)安全性、穩(wěn)定性能的標(biāo)準(zhǔn)。
在建筑結(jié)構(gòu)中，單位建筑結(jié)構(gòu)面積的結(jié)構(gòu)材料中，用于承擔(dān)重力荷載的結(jié)構(gòu)材料用量與房屋的層數(shù)近似成正比例線性關(guān)系。此外，用于建筑結(jié)構(gòu)樓頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)材料用量幾乎是定值，不隨結(jié)構(gòu)的層數(shù)變化；但是用于墻、柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料用量隨樓房的層數(shù)成線性正比例增加；而對(duì)于抵抗側(cè)向移動(dòng)的結(jié)構(gòu)材料用量，與樓房結(jié)構(gòu)層數(shù)的二次方的關(guān)系增長。
2、可靠度優(yōu)化法
在非地震災(zāi)害區(qū)高層建筑結(jié)構(gòu)的方案選型時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用抗風(fēng)性能比較好的結(jié)構(gòu)體系，也就是選用風(fēng)壓體型系數(shù)較小的建筑結(jié)構(gòu)體系。比如結(jié)構(gòu)外形呈曲線流線型變化的建筑結(jié)構(gòu)圓形、橢圓形等，或是結(jié)構(gòu)從下往上逐漸減小的截錐形體系的風(fēng)壓體形系數(shù)較小，有利于很好地抗風(fēng)。此外，在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行平面布置時(shí)，適合選取結(jié)構(gòu)平面形狀和結(jié)構(gòu)剛度分布均勻?qū)ΨQ的結(jié)構(gòu)體系類型，這樣可以在很大程度上減小風(fēng)荷載作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)引起的結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力的影響。
3、高層體系優(yōu)化法
建筑使用性能的不同，所以其對(duì)內(nèi)部空間的要求不同。同時(shí)，高層建筑結(jié)構(gòu)使用功能不同，則其平面布置也發(fā)生改變。通常，住宅和旅館的客房等宜采用小空間平面布置方案；辦公樓則適合采用大小空間均有；商場、飯店、展覽廳以及工廠廠房等則適宜采用大空間的的平面布置；宴會(huì)廳、舞廳則要求結(jié)構(gòu)內(nèi)部沒有柱子的大空間。由于不同的結(jié)構(gòu)體系可以提供的內(nèi)部空間的大小不同，因此，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，應(yīng)該首先根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的使用功能，選用合適的結(jié)構(gòu)類型。
五、建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)措施有哪些？
1、加強(qiáng)剪力墻的設(shè)計(jì)
剪力墻墻肢的試驗(yàn)研究也表明，軸壓比超過一定值，很難成為延性剪力墻。影響壓彎構(gòu)件的延性或屈服后變形能力的因素有：截面尺寸、混凝土強(qiáng)度等級(jí)、縱向配筋、軸壓比、箍筋量等，其主要因素是軸壓比和配箍特征值。聯(lián)肢墻是通過連梁連接的各墻肢聯(lián)結(jié)而成，從而增加了墻肢的約束條件。連梁的剛度增大必將使得結(jié)構(gòu)的地震作用也增大，這樣連梁和墻肢分配內(nèi)力也相應(yīng)增大，此時(shí)必須增大構(gòu)件的配筋量，顯然這一設(shè)計(jì)結(jié)果必然會(huì)造成材料的浪費(fèi)。
2、注重細(xì)部優(yōu)化
（1）在注重整體設(shè)計(jì)的同時(shí)，也應(yīng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)局部構(gòu)件的精細(xì)設(shè)計(jì)。比如現(xiàn)澆板設(shè)計(jì)中盡量把異形板劃分為矩形板，這樣既達(dá)到合理受力的目的，也避免了拐角裂縫的出現(xiàn)。
（2）底部框架抗震墻的底框梁箍筋配箍量一般較大，此時(shí)若選用冷軋帶肋鋼筋作為箍筋，便可減少箍筋肢數(shù)或箍筋直徑，達(dá)到造價(jià)的降低以及施工的方便化。還有，為減少底部截面，采用高強(qiáng)度的混凝土是柱構(gòu)件不錯(cuò)的選擇，但是水平構(gòu)件混凝土可適當(dāng)減少混凝土的標(biāo)號(hào)，滿足了受力要求，也節(jié)約了成本
（3）隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論的結(jié)合，通過利用計(jì)算機(jī)分析軟件建立優(yōu)化設(shè)計(jì)的分析模型，采用高效的計(jì)算機(jī)優(yōu)化計(jì)算方法，設(shè)立結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到的目標(biāo)要求，最終實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化目的。在具體的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)際上已經(jīng)由一個(gè)工程問題轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)數(shù)學(xué)問題。
3、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的應(yīng)用
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法和技術(shù)的應(yīng)用具體體現(xiàn)在房屋工程結(jié)構(gòu)總體的優(yōu)化設(shè)計(jì)和房屋工程分部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)兩方面。其中房屋工程分部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)包括：基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)、屋蓋系統(tǒng)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)細(xì)部設(shè)計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)以上幾個(gè)方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)還包含選型、布置、受力分析、造價(jià)分析等內(nèi)容，并應(yīng)在滿足設(shè)計(jì)規(guī)范和使用要求的前提下，結(jié)合具體工程的實(shí)際情況，圍繞其綜合經(jīng)濟(jì)效益的目標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。
4、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的實(shí)踐價(jià)值
在滿足建筑結(jié)構(gòu)長遠(yuǎn)效益的前提下，應(yīng)盡量減少建筑結(jié)構(gòu)的近期投資并提高建筑結(jié)構(gòu)的可靠度和合理性。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，采用設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)可以使建筑工程造價(jià)降低5%-30%。優(yōu)化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，可以最合理的利用材料的性能，使建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部各單元得到最好的協(xié)調(diào)，并具有建筑規(guī)范所規(guī)定的安全度。同時(shí)，它還可為建筑整體性方案設(shè)計(jì)進(jìn)行合理的決策，優(yōu)化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)的“適用、安全和經(jīng)濟(jì)”目標(biāo)的有效途徑。
對(duì)于建筑來說，架構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是必然趨勢(shì)，是實(shí)現(xiàn)建筑本體功能與控制建筑造價(jià)成本的重要手段。另外，無論是建筑投資者，又或者是開發(fā)商都不能過分強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性，不能僅僅是通過減少材料、降低技術(shù)、放低質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)來追求經(jīng)濟(jì)性，你們認(rèn)為呢？