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摘要: 建筑结构优化设计，是实现建筑本体功能与建筑投资成本的关键手段。随着国家建立节约型社会理念的不断深入，建筑的需求者与供应者都对建筑结构的优化设计提出了更高的要求。本文主要结合工程经验和理论依据,对建筑结构优化设计过程中的材料选用、构件设计和整体结构布局三个主要因素进行分析,探讨建筑结构优化设计的实现手段，为未来建筑结构设计者进行结构优化设计提供参考。
关键词:建筑结构；优化设计；四位一体
科学技术的不断创新，推动经济不断向前快速发展，人们对物质生存环境提出了更高了要求，而建筑是人类物质生存环境的重要载体。近年来，节能环保型社会建设理念的不断深入人心，进一步加剧了建筑的需求者与供应者对建筑结构优化设计的需要。建筑结构的优化设计，不但满足了投资者控制建筑投资成本的目标，而且更加符合了使用者对建筑本体功能的需求，从而实现了社会整体经济效益的最大化。因此，建筑结构的优化设计，在市场经济下的节能环保型社会越来越成为可行。
建筑结构优化设计概析
建筑结构的优化设计主要体现在建筑工程的决策阶段、设计阶段、建设阶段。在建筑工程的决策阶段，确定结构优化设计所要达到的总体目标，满足本体功能，最大程度保障安全性，缩减投资成本；在建筑工程的设计阶段，确定每一个子系统及整体结构的优化布局；在建筑工程的建设阶段，以结构优化设计为建设原则，组织建设好每一个子系统从而实现整体结构优化布局。决策阶段结构优化选择是关键，设计阶段结构优化设计是核心，建设阶段结构优化建设是基础，三个阶段互相验证、互为补充、缺一不可。
建筑结构优化设计的基本要求：1、体现功能性，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。同时，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。2、安全性，安全性为建筑结构优化设计的必然考虑因素。同时不能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。3、经济性，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。4、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。
二、建筑结构优化设计的策略、安全与经济
1、结构优化设计中的材料选用
结构优化设计中的材料选用首先是要能体现功能性、保证安全性，其次才是体现经济性。建筑结构优化设计中的材料选用主要涉及到混凝土和钢筋。单一的混凝土使用，早已不能满足高层建筑结构功能性与安全性的要求；单一的钢筋使用，同样无法满足高层建筑结构的要求，更无法体现材料使用的经济性与环保性。于是，混凝土与钢筋材料融合成为复合体，功能性、安全性、经济性与环保性四位一体得以共同体现，钢筋混凝土结构成为建筑结构优化设计的重要结构。
根据建筑结构的不同受力特点、周围环境和材料的力学性能特点，钢筋混凝土复合体材料应运而生。在钢筋混凝土结构中,以受压为主的梁柱,充分发挥钢筋混凝土材料中混凝土抗压性能强的特点,尽最大化可能采用高标号混凝土,既可以减小构件截面,同时也增加使用空间,还能减轻结构自重。梁板以受弯为主,可采用高强度钢筋，减少钢筋使用量,另一方面要注意钢筋混凝土结构中钢筋与混凝土强度的合理匹配,最大限度地发挥出复合体材料的特有性能。对于高层建筑的结构转换层和受力复杂的结点部位以及大跨度结构,应采用型钢混凝土和预应力混凝土或钢结构等,保证其功能性、安全性、经济性的最大化性能发挥。
在实际工程作业过程中,因材料选用不当造成功能性、安全性、经济性无法得到最大化保证的情况很多。比如,经常出现的钢筋混凝土现浇板中混凝土标号过高的现象,高标号的混凝土不能充分发挥其强度性能,而且为抵抗高強混凝土较大的收缩变形和满足最小配筋率要求,板中钢筋的配筋量也相继增加,直接导致钢筋的使用量增加，间接影响工程投资成本的提高。所以，在建筑条件允许的情况下,应尽可能降低混凝土设计强度。同时由于混凝土设计强度的降低,可以有效地降低墙及楼板的裂缝,特别是地下室外墙板,减少后期的修补费用,保证了其功能性、安全性、经济性。
2、结构优化设计中的构件布置
建筑结构优化设计中的构件布置主要涉及梁、柱子、剪力墙的布置与设计。目前，高层建筑的结构设计大多采用框架—剪力墙结构体系,这种体系由钢筋混凝土框架和钢筋混凝土剪力墙两部分组成,框架的梁柱为刚接,框架与剪力墙可为刚接,也可为铰接。高层建筑体型日趋复杂,各种不同功能的建筑用房综合在一起,组成形态各异摩肩接踵的高层建筑,给建筑结构优化设计增加了一定的难度,而框架—剪力墙结构体系具有灵活组成使用空间的优点,比较容易满足建筑物的使用要求,而且框架—剪力墙结构体系有较高的承载力,较好的延伸性和整体性,并且具备很强的吸收地震力的能力,从而大大减小了结构本身的侧移。因此，在建筑结构优化设计的实践过程中，在框架—剪力墙结构设计中,剪力墙刚度的确定除了必须满足强度条件外,还必须使结构具有一定的侧向刚度。基于此,剪力墙刚度的大小将直接影响到结构的安全性及工程造价成本。另外，在框架—剪力墙结构初步设计阶段,简捷、准确地确定框剪结构中剪力墙最优数量,即可避免重复、繁琐的结构刚度调整计算,还可以达到减少经济成本的目标。
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。
3、结构优化设计中的整体布局
在注重局部结构优化设计的同时，同时也应注重结构的整体布局与优化，因为局部结构的优化设计并不必然导致整个主体结构同样实现了优化布局，简单拼凑最终无法实现整体结构的优化设计，无助于建筑本体实现最大化功能性、经济性、安全性。为实现这些目标，需要结构设计者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、刚度和良好的延伸性; 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, 实现整个结构安全可靠度的协调一致性，实现经济又安全的双重目标。
四、结语
通过建筑结构的优化设计，是实现建筑本体功能与建筑投资成本的关键手段。但是，也不能片面强调节约投资成本,而降低技术和建筑质量标准,同时反对重技术、轻经济,设计成本高、材料浪费的现象。建筑结构优化设计的首要目标是充分发挥建筑的本体功能,实现建筑物适用、安全、美观、经济、环保的次生目标。为了实现这一目标，未来的建筑结构设计者将遵循功能性、安全性、经济性、环保性四位一体的设计思路，真正实现未来建筑结构的优化升级，为人类提供一个更好的物质生存与发展环境。
关键词:建筑结构；优化设计；四位一体
科学技术的不断创新，推动经济不断向前快速发展，人们对物质生存环境提出了更高了要求，而建筑是人类物质生存环境的重要载体。近年来，节能环保型社会建设理念的不断深入人心，进一步加剧了建筑的需求者与供应者对建筑结构优化设计的需要。建筑结构的优化设计，不但满足了投资者控制建筑投资成本的目标，而且更加符合了使用者对建筑本体功能的需求，从而实现了社会整体经济效益的最大化。因此，建筑结构的优化设计，在市场经济下的节能环保型社会越来越成为可行。
建筑结构优化设计概析
建筑结构的优化设计主要体现在建筑工程的决策阶段、设计阶段、建设阶段。在建筑工程的决策阶段，确定结构优化设计所要达到的总体目标，满足本体功能，最大程度保障安全性，缩减投资成本；在建筑工程的设计阶段，确定每一个子系统及整体结构的优化布局；在建筑工程的建设阶段，以结构优化设计为建设原则，组织建设好每一个子系统从而实现整体结构优化布局。决策阶段结构优化选择是关键，设计阶段结构优化设计是核心，建设阶段结构优化建设是基础，三个阶段互相验证、互为补充、缺一不可。
建筑结构优化设计的基本要求：1、体现功能性，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。同时，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。2、安全性，安全性为建筑结构优化设计的必然考虑因素。同时不能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。3、经济性，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。4、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。
二、建筑结构优化设计的策略、安全与经济
1、结构优化设计中的材料选用
结构优化设计中的材料选用首先是要能体现功能性、保证安全性，其次才是体现经济性。建筑结构优化设计中的材料选用主要涉及到混凝土和钢筋。单一的混凝土使用，早已不能满足高层建筑结构功能性与安全性的要求；单一的钢筋使用，同样无法满足高层建筑结构的要求，更无法体现材料使用的经济性与环保性。于是，混凝土与钢筋材料融合成为复合体，功能性、安全性、经济性与环保性四位一体得以共同体现，钢筋混凝土结构成为建筑结构优化设计的重要结构。
根据建筑结构的不同受力特点、周围环境和材料的力学性能特点，钢筋混凝土复合体材料应运而生。在钢筋混凝土结构中,以受压为主的梁柱,充分发挥钢筋混凝土材料中混凝土抗压性能强的特点,尽最大化可能采用高标号混凝土,既可以减小构件截面,同时也增加使用空间,还能减轻结构自重。梁板以受弯为主,可采用高强度钢筋，减少钢筋使用量,另一方面要注意钢筋混凝土结构中钢筋与混凝土强度的合理匹配,最大限度地发挥出复合体材料的特有性能。对于高层建筑的结构转换层和受力复杂的结点部位以及大跨度结构,应采用型钢混凝土和预应力混凝土或钢结构等,保证其功能性、安全性、经济性的最大化性能发挥。
在实际工程作业过程中,因材料选用不当造成功能性、安全性、经济性无法得到最大化保证的情况很多。比如,经常出现的钢筋混凝土现浇板中混凝土标号过高的现象,高标号的混凝土不能充分发挥其强度性能,而且为抵抗高強混凝土较大的收缩变形和满足最小配筋率要求,板中钢筋的配筋量也相继增加,直接导致钢筋的使用量增加，间接影响工程投资成本的提高。所以，在建筑条件允许的情况下,应尽可能降低混凝土设计强度。同时由于混凝土设计强度的降低,可以有效地降低墙及楼板的裂缝,特别是地下室外墙板,减少后期的修补费用,保证了其功能性、安全性、经济性。
2、结构优化设计中的构件布置
建筑结构优化设计中的构件布置主要涉及梁、柱子、剪力墙的布置与设计。目前，高层建筑的结构设计大多采用框架—剪力墙结构体系,这种体系由钢筋混凝土框架和钢筋混凝土剪力墙两部分组成,框架的梁柱为刚接,框架与剪力墙可为刚接,也可为铰接。高层建筑体型日趋复杂,各种不同功能的建筑用房综合在一起,组成形态各异摩肩接踵的高层建筑,给建筑结构优化设计增加了一定的难度,而框架—剪力墙结构体系具有灵活组成使用空间的优点,比较容易满足建筑物的使用要求,而且框架—剪力墙结构体系有较高的承载力,较好的延伸性和整体性,并且具备很强的吸收地震力的能力,从而大大减小了结构本身的侧移。因此，在建筑结构优化设计的实践过程中，在框架—剪力墙结构设计中,剪力墙刚度的确定除了必须满足强度条件外,还必须使结构具有一定的侧向刚度。基于此,剪力墙刚度的大小将直接影响到结构的安全性及工程造价成本。另外，在框架—剪力墙结构初步设计阶段,简捷、准确地确定框剪结构中剪力墙最优数量,即可避免重复、繁琐的结构刚度调整计算,还可以达到减少经济成本的目标。
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。
3、结构优化设计中的整体布局
在注重局部结构优化设计的同时，同时也应注重结构的整体布局与优化，因为局部结构的优化设计并不必然导致整个主体结构同样实现了优化布局，简单拼凑最终无法实现整体结构的优化设计，无助于建筑本体实现最大化功能性、经济性、安全性。为实现这些目标，需要结构设计者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、刚度和良好的延伸性; 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, 实现整个结构安全可靠度的协调一致性，实现经济又安全的双重目标。
四、结语
通过建筑结构的优化设计，是实现建筑本体功能与建筑投资成本的关键手段。但是，也不能片面强调节约投资成本,而降低技术和建筑质量标准,同时反对重技术、轻经济,设计成本高、材料浪费的现象。建筑结构优化设计的首要目标是充分发挥建筑的本体功能,实现建筑物适用、安全、美观、经济、环保的次生目标。为了实现这一目标，未来的建筑结构设计者将遵循功能性、安全性、经济性、环保性四位一体的设计思路，真正实现未来建筑结构的优化升级，为人类提供一个更好的物质生存与发展环境。