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摘要：建筑结构设计是指在有限条件下，按照预定的目标，对工程建筑设计出一套最佳方案的方法，是设计者把多种技术和工艺成果集于同一个建筑上的展现，在建筑工程中起着相当重要的作用。本文浅谈了建筑结构优化设计的原理，并对结构方案进行了优化分析。
关键词：建筑结构优化设计；原理；方案优化
中图分类号： S611 文献标识码： A 文章编号：
建筑结构优化设计原则和原理
1.优化设计原则
（1）整体安全原则。建筑的整体安全主要是在抗震设计上，因此需要符合国家规定的标准，保证每个部件的承载能力没有问题，最终达到整体结构安全。
（2）提高建筑的舒适度。建筑优化设计应把居住的舒适度作为首要考虑的因素，影响舒适度的方面有很多，如装饰装修、建筑的形体结构、电气安装等等，所以应对这些方面进行优化设计。
（3）适宜原则。由于每个部件不可能都相同，其承重能力也不一样，应根据其实际的承载力去设计相适宜的安全系数。
（4）降低造价原则。在保证建筑的综合性能符合标准的基础上，还要考虑其经济性。
（5）使不规则的布置产生规则效应的原则。在优化过程中，为保障建筑结构既经济又安全，需要根据不同的功能，对墙柱的布局进行调节。
2.优化设计原理
（1）结构选型
在某些地下室，尤其是覆土较厚的地下一层顶板，荷载往往很大，综合考虑下，无梁楼盖是比较经济的。同时无梁楼盖结构（板柱结构）的地下室层高在满足建筑使用净高的情况下得以大大降低。既节省了用钢量，也减少了土方开挖量；
综合多种荷载情况来看，如果仅从单方配筋量比较，8.4X8.4的双向主次梁结构和大板梁板的用钢量最大，单向密肋楼盖次之，无梁楼盖的配筋量最小；
当荷载较大时，无梁楼盖配筋量最小，单向密肋楼盖次之，再次是单向主次梁结构，双向主次梁结构和双向密肋结构用钢量较大；
究其原因是梁过密，箍筋用量大，而板配筋由于构造要求，虽然跨度小，但配筋量不小！
（2）柱网选择
在结构设计中，柱网的好坏直接影响着建筑造价。一般来说，结构有两种，水平承重结构体系和竖向承重结构体系，前者主要有梁、板，后者主是指墙柱基础，这两个结构体系存在着基本矛盾：竖向结构越省，水平结构越贵，因为此时梁的跨度加大，截面尺寸也相应地增加。反之亦然。所以要使两个结构体系的总价最低，就要找到最合理的柱距。
（3）基础的优化设计
当地基较好时，如果基础的埋深不大，宜选择浅基础，如果地基的持力层很深，宜选择桩基础。如果持力层不深也不浅，则要经过分析比较，选择最经济的。
当地基较差，软土较深时，需用桩基础，桩的造型对造价也有较大影响。人工挖孔桩承载能力大，质量可靠也能节省费用，一般适用于单桩承载力要求较大的建筑物。
方案优化分析
1.建筑结构方案优化问题的提出
在建筑结构设计中，最常用的优化方法是在分析比较方案時，采用不同的布置和结构选型，使获得的方案更为理想，而事实证明，这种方法选出的方案也确实较经济合理。另外，设计人员对相关方案比较熟悉，确定结构方案和布置后也能运用各种成熟的分析软件进行计算，因此这种方法较容易可行。但在确定合理的布置和结构方案后，如何优化所选截面，还没受到太多重视，主要有两方面原因：首先，部分设计人员认为只要布置和结构方案合理，又有成熟的软件进行分析，构件截面只需要通过计算的结果符合规范就行了，认为上部结构对下部结构的意义不大。其次，由于技术条件有限，当前还没有比较实用的优化分析软件，而现有的各种分析软件在短期又达不到预期效果，因此这套方案难以实施。通过设计实践发现，有些项目的布置和结构方案较为合理，构件截面的尺寸也是常用尺寸，但计算结果不太理想，为改进此状况，增大结构截面反而加大了材料耗量，相反的，若从减轻结构自重，调整截面尺寸来分析，反而能改善此状况。
2.建筑结构方案优化方法---满应力法
至于采用何种方法，首先应考虑这一问题的目标函数以及其中的各种变量和变量之间的关系，还要考虑分析之后，是直接优化还是间接优化。建筑结构方案进行优化的目标就是材料耗量，而材料耗量由构件截面的尺寸所决定，截面尺寸还要符合构件的位移变形和强度计算等条件，因此，目标函数难以采用间接优化法，只能选用直接优化法，目标函数中的变量需为已知值，经试算求得目标值，并找出其逐步变小趋向最佳值的方向。
下面是满应力法的计算方法：
1.建筑结构优化的目标函数，
合理的设计设计出来的构件配筋率绝不超过经济含钢率，因此建筑结构的材料耗量主要由构件截面决定。目标函数的表达式如下：
Y=Y(X） （1）式
其中，Y为材料损耗目标值；X为墙、梁、柱的截面尺寸。X与位移、荷载之间的关系宜采用直接刚度法，满足下列要求：
[K]•[r]=[R] （2）式
其中，[R]为结构荷载向量；[K]为结构总刚度矩阵；[r]为结构的位移向量。
由（2）式求出结构位移，各层构件端节点的位移也为已知，则各构件的杆端内力：
S=k•r （3）式
其中，S为构件的杆端内力向量，k为构件的刚度矩阵向量，r为构件的杆端位移向量。
由（3）式求出杆端内力，再根据相关规范求出杆件长度值。
2.目标函数的约束条件
（1）承载力：结构截面符合相关规范验算的抗剪抗弯等承载力。
（2）变形条件：在风荷载或地震荷载的影响下，结构顶点最大位移与结构总高度的比，以及楼层层间位移和层高之比都要满足规定的其他要求。
（3）截面控制条件：除承载力，墙、梁、柱等截面都应该满足其他控制条件。
3.优化步骤
（1）按照常规的经验明确结构截面的最初截面尺寸，对墙、梁、柱等构件各自的截面尺寸数据库。
（2）用力学分析结构，计算各状况下结构的内力及位移。
（3）进行结构构件的承载力
（4）参照计算结果，调整截面尺寸，在符合位移条件下，尽量使构件材料的性能得到最大发挥。
（5）依据修改截面的性质和数量，指定一个限值自动决定是否重新计算，返回到第二步计算，如此反复计算，直到达到要求。
（6）输出最终的截面尺寸和计算结果
遵照以上步骤，可编制一套完整的优化分析软件，但需在如何加快速度、较少内存上花大量时间。结合目前情况。采用不成熟的分析软件，人工调整截面尺寸，反复运算，也可以达到优化效果，但费工费时，且对设计人员要求较高。
三、结束语
结构的优化设计内容很广，建筑结构设计主要分为结构方案阶段、结构计算阶段与施工图设计阶段三个阶段，可知方案设计是基础，为使建筑结构优化设计更好地向智能化、自动化、系统化发展，必须要进行优化结构设计。
参考文献：
[1] 肖燕武浅谈建筑结构设计的安全度[J].科技创新导报，2007，18（35）：186-188
[2] 江欢城.优化设计的探索和实践[J].建筑结构，2006,36（6）：1-24
[3] 陈秀花.对于建筑结构的优化设计分析[J].城市建设理论研究，2011,32（12）：69-71
[4] 张利民.房屋建筑过程中结构设计优化技术分析[J].科技创新导报,2012,29（32）：210-212
[5] 刘铁峰，李铁军，张亮坤.建筑结构优化设计探讨[J].建设科技，2011,34（10）：122-124
[6] 郑添，曹光荣，刘艳.建筑结构优化设计研究[J].城市建设理论研究，2012,17（9）：154-157
关键词：建筑结构优化设计；原理；方案优化
中图分类号： S611 文献标识码： A 文章编号：
建筑结构优化设计原则和原理
1.优化设计原则
（1）整体安全原则。建筑的整体安全主要是在抗震设计上，因此需要符合国家规定的标准，保证每个部件的承载能力没有问题，最终达到整体结构安全。
（2）提高建筑的舒适度。建筑优化设计应把居住的舒适度作为首要考虑的因素，影响舒适度的方面有很多，如装饰装修、建筑的形体结构、电气安装等等，所以应对这些方面进行优化设计。
（3）适宜原则。由于每个部件不可能都相同，其承重能力也不一样，应根据其实际的承载力去设计相适宜的安全系数。
（4）降低造价原则。在保证建筑的综合性能符合标准的基础上，还要考虑其经济性。
（5）使不规则的布置产生规则效应的原则。在优化过程中，为保障建筑结构既经济又安全，需要根据不同的功能，对墙柱的布局进行调节。
2.优化设计原理
（1）结构选型
在某些地下室，尤其是覆土较厚的地下一层顶板，荷载往往很大，综合考虑下，无梁楼盖是比较经济的。同时无梁楼盖结构（板柱结构）的地下室层高在满足建筑使用净高的情况下得以大大降低。既节省了用钢量，也减少了土方开挖量；
综合多种荷载情况来看，如果仅从单方配筋量比较，8.4X8.4的双向主次梁结构和大板梁板的用钢量最大，单向密肋楼盖次之，无梁楼盖的配筋量最小；
当荷载较大时，无梁楼盖配筋量最小，单向密肋楼盖次之，再次是单向主次梁结构，双向主次梁结构和双向密肋结构用钢量较大；
究其原因是梁过密，箍筋用量大，而板配筋由于构造要求，虽然跨度小，但配筋量不小！
（2）柱网选择
在结构设计中，柱网的好坏直接影响着建筑造价。一般来说，结构有两种，水平承重结构体系和竖向承重结构体系，前者主要有梁、板，后者主是指墙柱基础，这两个结构体系存在着基本矛盾：竖向结构越省，水平结构越贵，因为此时梁的跨度加大，截面尺寸也相应地增加。反之亦然。所以要使两个结构体系的总价最低，就要找到最合理的柱距。
（3）基础的优化设计
当地基较好时，如果基础的埋深不大，宜选择浅基础，如果地基的持力层很深，宜选择桩基础。如果持力层不深也不浅，则要经过分析比较，选择最经济的。
当地基较差，软土较深时，需用桩基础，桩的造型对造价也有较大影响。人工挖孔桩承载能力大，质量可靠也能节省费用，一般适用于单桩承载力要求较大的建筑物。
方案优化分析
1.建筑结构方案优化问题的提出
在建筑结构设计中，最常用的优化方法是在分析比较方案時，采用不同的布置和结构选型，使获得的方案更为理想，而事实证明，这种方法选出的方案也确实较经济合理。另外，设计人员对相关方案比较熟悉，确定结构方案和布置后也能运用各种成熟的分析软件进行计算，因此这种方法较容易可行。但在确定合理的布置和结构方案后，如何优化所选截面，还没受到太多重视，主要有两方面原因：首先，部分设计人员认为只要布置和结构方案合理，又有成熟的软件进行分析，构件截面只需要通过计算的结果符合规范就行了，认为上部结构对下部结构的意义不大。其次，由于技术条件有限，当前还没有比较实用的优化分析软件，而现有的各种分析软件在短期又达不到预期效果，因此这套方案难以实施。通过设计实践发现，有些项目的布置和结构方案较为合理，构件截面的尺寸也是常用尺寸，但计算结果不太理想，为改进此状况，增大结构截面反而加大了材料耗量，相反的，若从减轻结构自重，调整截面尺寸来分析，反而能改善此状况。
2.建筑结构方案优化方法---满应力法
至于采用何种方法，首先应考虑这一问题的目标函数以及其中的各种变量和变量之间的关系，还要考虑分析之后，是直接优化还是间接优化。建筑结构方案进行优化的目标就是材料耗量，而材料耗量由构件截面的尺寸所决定，截面尺寸还要符合构件的位移变形和强度计算等条件，因此，目标函数难以采用间接优化法，只能选用直接优化法，目标函数中的变量需为已知值，经试算求得目标值，并找出其逐步变小趋向最佳值的方向。
下面是满应力法的计算方法：
1.建筑结构优化的目标函数，
合理的设计设计出来的构件配筋率绝不超过经济含钢率，因此建筑结构的材料耗量主要由构件截面决定。目标函数的表达式如下：
Y=Y(X） （1）式
其中，Y为材料损耗目标值；X为墙、梁、柱的截面尺寸。X与位移、荷载之间的关系宜采用直接刚度法，满足下列要求：
[K]•[r]=[R] （2）式
其中，[R]为结构荷载向量；[K]为结构总刚度矩阵；[r]为结构的位移向量。
由（2）式求出结构位移，各层构件端节点的位移也为已知，则各构件的杆端内力：
S=k•r （3）式
其中，S为构件的杆端内力向量，k为构件的刚度矩阵向量，r为构件的杆端位移向量。
由（3）式求出杆端内力，再根据相关规范求出杆件长度值。
2.目标函数的约束条件
（1）承载力：结构截面符合相关规范验算的抗剪抗弯等承载力。
（2）变形条件：在风荷载或地震荷载的影响下，结构顶点最大位移与结构总高度的比，以及楼层层间位移和层高之比都要满足规定的其他要求。
（3）截面控制条件：除承载力，墙、梁、柱等截面都应该满足其他控制条件。
3.优化步骤
（1）按照常规的经验明确结构截面的最初截面尺寸，对墙、梁、柱等构件各自的截面尺寸数据库。
（2）用力学分析结构，计算各状况下结构的内力及位移。
（3）进行结构构件的承载力
（4）参照计算结果，调整截面尺寸，在符合位移条件下，尽量使构件材料的性能得到最大发挥。
（5）依据修改截面的性质和数量，指定一个限值自动决定是否重新计算，返回到第二步计算，如此反复计算，直到达到要求。
（6）输出最终的截面尺寸和计算结果
遵照以上步骤，可编制一套完整的优化分析软件，但需在如何加快速度、较少内存上花大量时间。结合目前情况。采用不成熟的分析软件，人工调整截面尺寸，反复运算，也可以达到优化效果，但费工费时，且对设计人员要求较高。
三、结束语
结构的优化设计内容很广，建筑结构设计主要分为结构方案阶段、结构计算阶段与施工图设计阶段三个阶段，可知方案设计是基础，为使建筑结构优化设计更好地向智能化、自动化、系统化发展，必须要进行优化结构设计。
参考文献：
[1] 肖燕武浅谈建筑结构设计的安全度[J].科技创新导报，2007，18（35）：186-188
[2] 江欢城.优化设计的探索和实践[J].建筑结构，2006,36（6）：1-24
[3] 陈秀花.对于建筑结构的优化设计分析[J].城市建设理论研究，2011,32（12）：69-71
[4] 张利民.房屋建筑过程中结构设计优化技术分析[J].科技创新导报,2012,29（32）：210-212
[5] 刘铁峰，李铁军，张亮坤.建筑结构优化设计探讨[J].建设科技，2011,34（10）：122-124
[6] 郑添，曹光荣，刘艳.建筑结构优化设计研究[J].城市建设理论研究，2012,17（9）：154-157