论文部分内容阅读
摘 要：随着土地成本的提高，在设计中进行结构优化变得十分重要，也是必须的工作，但不能简单地理解为仅是减少钢筋和混凝土的用量，应当优化要符合规范要求，保证建筑的安全性和耐久性等，所以我们要采取科学合理的方法优化结构的设计，通过多种方案的计算比较才能获得建筑、结构协调一致的最优方案，从而为业主提供最佳的产品。
关键词：结构分析；优化设计；建设成本
引言
近年来，由于政府部门不断提高土地价格，上涨的土地价格给房地产开发商的成本控制带来极大的压力。由于土地成本不可控制，开发商只能从如何优化结构设计等方面对其价格进行控制，降低工程造价，特别是减少建筑结构中的钢筋和混凝土用量就成为开发商追求的直接目标。结构优化设计并不是单纯降低材料用量，是要保证建筑结构的安全性、耐久性的前提，如何优化结构设计，降低成本，不能盲目减少建筑结构中的钢筋和混凝土用量，给建筑结构带来安全隐患。
1 结构设计优化方法
建筑结构设计应该符合适用、安全、经济、美观和便于施工五种效果，如何协调建筑的美观与结构设计的经济等方面是结构师必须考虑的。建筑结构设计优化主要可以分为房屋结构分布结构和房屋结构总体的优化设计两种，这两种又是相互补充、缺一不可[1]。房屋结构分部结构优化设计包括：屋盖优化设计、基础结构优化设计、围护结构优化设计和其他结构细部设计的优化设计。对以上几个方面的优化设计还包括模型结构优化、受力结构的布置、受力分析、造价分析等内容。在工程建设的实际操作中，要根据房屋本身的特点和该工程自身的状况，从保证结构的安全性及耐久性等出发，制定最优的结构设计方案。对房屋结构的设计优化时，注意要使整个房屋平面的布局十分规则，减少刚度和质量中心之间的差别。
1）尽量选择经济合理的结构体系。比如，异形柱框架比普通框架用钢量大，在可能的情况下尽量采用后者；短肢剪力墙比普通剪力墙含钢量高，在可能的情况下尽量采用普通剪力墙结构。应选择比较规则的平面方案和立面方案。控制平面合理长宽比，科学设置抗震缝等，使结构刚度中心与质量中心尽量靠近。竖向应注意限制薄弱层、跃层、转换层等不利因素，避免有过大的外挑或内收，同时使侧向刚度沿高度尽量均匀平缓变化。
1.1 结构优化设计模型结构
设计优化就是在各种影响变量中选择主要参数，并建立函数模型，运用科学合理的方法得出最优解。结构总体的优化建立模型的大致步骤如下：首先是设计变量的合理选择。通过计算得到对结构设计要求影响较大的参数，主要是对结构施工建设成本影响较大的多个参数作为的设计变量，将得到的优化参数按照各自的重要性排序，将对变化影响不大的参数定为预定参数。其次是目标函数的确定，上一步工作可以减少很多计算编程的工作，使用函数找出满足既定条件的最优解。最后是约束条件的确定，约束条件的最低限度是要保证各约束条件必须符合现行规范的要求，这是保证建筑结构的安全性、耐久性等性质的前提，最后创建建筑结构的优化模型。
1.2合理化科学化选择设计的变量
在选择相应的变量的时候，要分清那些是变量和控制參数。变量是指将影响建筑本身结构的主要参数。参数值包括（建筑损失的期望值、建筑结构造价值）建筑约束控制的相关参数值（建筑结构的相对可靠度），这是控制目标的相关参数值。对于一些影响并不是太大的变化范围很小或者由局部性相关要素就能满足设计要求的一部分参数，我们一般是通过预定式参数进行表示，这样一来就能减少我们相应的设计数量与计算数量，还可以相应的减少编程的工作量，进而提升工作效率。对建筑结构进行优化设计时，必须找到一组符合预定条件的相应尺寸的钢筋截面面积，以及已经失效的概率函数，这样能使建筑工程的整体造价达到最少。
1.3科学化的确定约束条件
科学确定约束条件是优化结构设计的关键，约束条件包括构件的相关约束、尺寸大小的约束、建筑本身的强度约束、结构体系相关约束、建筑裂缝的宽度约束等。对于结构的优化设计，首先要保证结构整体的可靠性，约束条件要符合规范要求，科学化地确定与优化设计方面相关的约束条件。在设计结构之时，要对目标性质的约束条件与实际性质的约束条件进行科学化的比较与分析，要保证每一个相关的约束条件都满足整个建筑工程的要求，实现效果最佳化的设计[2]。
1.4结构优化计算方案
在结构设计优化设计中，在计算的时候我们通常把一些限制因素转化成无限制因素， 最普遍被应用的方法就是乘子法、 符合型法等。在选用算法时，可以采用多种算法计算，然后进行对比，采用适合的算法进行这些优化设计，达到方便而且运算过程科学精准的效果，得到科学的最优结论。电算的方案很多时候需要人工调整，除整体电算需人工调整外，很多手算的局部构件也存在同样的问题，实际结构受力状态与计算模型不同。比如，基础底板与挡土墙的相互关系，一般假定基础对挡土墙起嵌固作用，当其相对厚度发生变化时，是相互约束按刚度分配，按常规假定设计必是不安全的，或是不经济的。
1.5设计相关应用程序
设计优化基本模型，并编纂成一个运算速度较快而且功能全面的综合性、科学性的应用程序。采用可靠度的理论，然后开始进行房屋结构设计的，编制以及在设计时运用的相应的计算程序。这样能使整个优化设计更加全面地、有效率地进行实施[3]。
1.6综合结果分析
结果的综合分析是必要的步骤，在得出一定的计算结果后对其进行一个必要性的分析和比较，在分析的过程中，我们务必要全面考虑相关的问题，而且对相应的问题要多角度分析，选择一个效果最佳的设计方案。这一步在整个建筑结构优化设计中是至关重要。
2 结构设计的优化措施
整体优化和局部优化项目建筑的设计是相互补充、相互依存、缺一不可的，这是具备层次性及复杂性两方面的特点的建筑物所决定的。以层次性看来，其一般包含建筑的设计体系结构体系及安装设计体系等，每一个体系内又囊括了多个下属体系进行房屋建筑设计时；以复杂性看来，其一般包含建筑原料选取零部件选取结构类型选取等内容所以，对于房屋建筑来讲，就应从整体进行优化，方可真正实现设计优化 1.寿命优化和分阶段优化：每一个项目工程在限定的使用期限中，每一环节都有多种设计方案供以挑选，也就是每个阶段都可以进行方案优化，房屋设计人员应该依据各个阶段的性质对优化方法进行确定，从而对整体工程的寿命进行优化，保证建筑的施工质量，增加企业经济收益。
2.平面形状：若平面比较规则、凹凸少则用钢量就少，反之则较多，每层面积相同或相近而外墙长度越大的建筑，其用钢量也就越多，平面形状是否规则不仅决定了用钢量的多少，而且还可衡量结构抗震性能的优劣，从这点上分析得知用钢量节约的结构其抗震性能未必就低。
3.平面长度尺寸：即结构单元是否超长，当建筑物较长，而结构又不设永久缝时就成为超长建筑。超长建筑由于必须考虑混凝土的收缩应力和温度应力，它相对于非超长建筑主要对待的仅是荷载产生的应力，其单位面积用钢量显然要多些。
4.下部地基基础结构设计优化。地基基础的结构设计优化首先要选择合适的方案，如果为桩基础，那么要根据现场地质条件选择桩基类型，尽量节省造价。桩端持力层对灌注桩桩长的选择影响很大，应进行比较以确定最合适的方案。
3 结构设计优化的现实意义
结构优化设计是择优选择，面对结构设计中的各种“矛盾”，如何得到最优解是设计师要解决的。例如，层数越多总建筑面积增大，单位建筑面积占用的土地面积就越小节约了用地成本。但建筑层数的增多，建筑总高度也会加大，楼与楼之间的间距也要加大。这时占用的土地节约量就不与建筑层数增加比例相同了，也要考虑符合规范的硬性要求。例如对于基础部分而言，虽然也是各层共用的，但是层数增加传给基础的荷载将会增大。我们需要增大基础，这样单位面积的造价有所降低，但是却没有屋盖的效果那样明显。与传统的结构设计相比，采用结构设计优化方法可以使建筑工程造价降低，优化方法的技术性实现，可以最合理的利用材料性能，使建筑结构内部各单元得到最好的协调。
4 结论
为业主提供最佳最低成本的设计产品是设计师优化设计时的目的，采取科学合理的方法优化结构的设计，并保证建筑的安全性和耐久性等，通过多种方案的计算比较才能获得建筑、结构协调一致的最优方案。随着土地成本的提高，在设计中进行结构优化变得十分重要，也是必须的工作，但不能简单地理解为仅是减少钢筋和混凝土的用量，应当严格遵守规范要求，保证结构设计优化的科学性和客观性。
参考文獻
[1]王燕，王维.浅谈高层建筑结构分析与设计[J].山西建筑，2008（05）.
[2]张晓芬.浅析高层建筑结构设计中存在的问题[J].科技情报开发与经济.2007（34）.
[3]高新艳，杜秀丽.钢筋混凝土结构优化设计[J].山西建筑，2007（8）.
关键词：结构分析；优化设计；建设成本
引言
近年来，由于政府部门不断提高土地价格，上涨的土地价格给房地产开发商的成本控制带来极大的压力。由于土地成本不可控制，开发商只能从如何优化结构设计等方面对其价格进行控制，降低工程造价，特别是减少建筑结构中的钢筋和混凝土用量就成为开发商追求的直接目标。结构优化设计并不是单纯降低材料用量，是要保证建筑结构的安全性、耐久性的前提，如何优化结构设计，降低成本，不能盲目减少建筑结构中的钢筋和混凝土用量，给建筑结构带来安全隐患。
1 结构设计优化方法
建筑结构设计应该符合适用、安全、经济、美观和便于施工五种效果，如何协调建筑的美观与结构设计的经济等方面是结构师必须考虑的。建筑结构设计优化主要可以分为房屋结构分布结构和房屋结构总体的优化设计两种，这两种又是相互补充、缺一不可[1]。房屋结构分部结构优化设计包括：屋盖优化设计、基础结构优化设计、围护结构优化设计和其他结构细部设计的优化设计。对以上几个方面的优化设计还包括模型结构优化、受力结构的布置、受力分析、造价分析等内容。在工程建设的实际操作中，要根据房屋本身的特点和该工程自身的状况，从保证结构的安全性及耐久性等出发，制定最优的结构设计方案。对房屋结构的设计优化时，注意要使整个房屋平面的布局十分规则，减少刚度和质量中心之间的差别。
1）尽量选择经济合理的结构体系。比如，异形柱框架比普通框架用钢量大，在可能的情况下尽量采用后者；短肢剪力墙比普通剪力墙含钢量高，在可能的情况下尽量采用普通剪力墙结构。应选择比较规则的平面方案和立面方案。控制平面合理长宽比，科学设置抗震缝等，使结构刚度中心与质量中心尽量靠近。竖向应注意限制薄弱层、跃层、转换层等不利因素，避免有过大的外挑或内收，同时使侧向刚度沿高度尽量均匀平缓变化。
1.1 结构优化设计模型结构
设计优化就是在各种影响变量中选择主要参数，并建立函数模型，运用科学合理的方法得出最优解。结构总体的优化建立模型的大致步骤如下：首先是设计变量的合理选择。通过计算得到对结构设计要求影响较大的参数，主要是对结构施工建设成本影响较大的多个参数作为的设计变量，将得到的优化参数按照各自的重要性排序，将对变化影响不大的参数定为预定参数。其次是目标函数的确定，上一步工作可以减少很多计算编程的工作，使用函数找出满足既定条件的最优解。最后是约束条件的确定，约束条件的最低限度是要保证各约束条件必须符合现行规范的要求，这是保证建筑结构的安全性、耐久性等性质的前提，最后创建建筑结构的优化模型。
1.2合理化科学化选择设计的变量
在选择相应的变量的时候，要分清那些是变量和控制參数。变量是指将影响建筑本身结构的主要参数。参数值包括（建筑损失的期望值、建筑结构造价值）建筑约束控制的相关参数值（建筑结构的相对可靠度），这是控制目标的相关参数值。对于一些影响并不是太大的变化范围很小或者由局部性相关要素就能满足设计要求的一部分参数，我们一般是通过预定式参数进行表示，这样一来就能减少我们相应的设计数量与计算数量，还可以相应的减少编程的工作量，进而提升工作效率。对建筑结构进行优化设计时，必须找到一组符合预定条件的相应尺寸的钢筋截面面积，以及已经失效的概率函数，这样能使建筑工程的整体造价达到最少。
1.3科学化的确定约束条件
科学确定约束条件是优化结构设计的关键，约束条件包括构件的相关约束、尺寸大小的约束、建筑本身的强度约束、结构体系相关约束、建筑裂缝的宽度约束等。对于结构的优化设计，首先要保证结构整体的可靠性，约束条件要符合规范要求，科学化地确定与优化设计方面相关的约束条件。在设计结构之时，要对目标性质的约束条件与实际性质的约束条件进行科学化的比较与分析，要保证每一个相关的约束条件都满足整个建筑工程的要求，实现效果最佳化的设计[2]。
1.4结构优化计算方案
在结构设计优化设计中，在计算的时候我们通常把一些限制因素转化成无限制因素， 最普遍被应用的方法就是乘子法、 符合型法等。在选用算法时，可以采用多种算法计算，然后进行对比，采用适合的算法进行这些优化设计，达到方便而且运算过程科学精准的效果，得到科学的最优结论。电算的方案很多时候需要人工调整，除整体电算需人工调整外，很多手算的局部构件也存在同样的问题，实际结构受力状态与计算模型不同。比如，基础底板与挡土墙的相互关系，一般假定基础对挡土墙起嵌固作用，当其相对厚度发生变化时，是相互约束按刚度分配，按常规假定设计必是不安全的，或是不经济的。
1.5设计相关应用程序
设计优化基本模型，并编纂成一个运算速度较快而且功能全面的综合性、科学性的应用程序。采用可靠度的理论，然后开始进行房屋结构设计的，编制以及在设计时运用的相应的计算程序。这样能使整个优化设计更加全面地、有效率地进行实施[3]。
1.6综合结果分析
结果的综合分析是必要的步骤，在得出一定的计算结果后对其进行一个必要性的分析和比较，在分析的过程中，我们务必要全面考虑相关的问题，而且对相应的问题要多角度分析，选择一个效果最佳的设计方案。这一步在整个建筑结构优化设计中是至关重要。
2 结构设计的优化措施
整体优化和局部优化项目建筑的设计是相互补充、相互依存、缺一不可的，这是具备层次性及复杂性两方面的特点的建筑物所决定的。以层次性看来，其一般包含建筑的设计体系结构体系及安装设计体系等，每一个体系内又囊括了多个下属体系进行房屋建筑设计时；以复杂性看来，其一般包含建筑原料选取零部件选取结构类型选取等内容所以，对于房屋建筑来讲，就应从整体进行优化，方可真正实现设计优化 1.寿命优化和分阶段优化：每一个项目工程在限定的使用期限中，每一环节都有多种设计方案供以挑选，也就是每个阶段都可以进行方案优化，房屋设计人员应该依据各个阶段的性质对优化方法进行确定，从而对整体工程的寿命进行优化，保证建筑的施工质量，增加企业经济收益。
2.平面形状：若平面比较规则、凹凸少则用钢量就少，反之则较多，每层面积相同或相近而外墙长度越大的建筑，其用钢量也就越多，平面形状是否规则不仅决定了用钢量的多少，而且还可衡量结构抗震性能的优劣，从这点上分析得知用钢量节约的结构其抗震性能未必就低。
3.平面长度尺寸：即结构单元是否超长，当建筑物较长，而结构又不设永久缝时就成为超长建筑。超长建筑由于必须考虑混凝土的收缩应力和温度应力，它相对于非超长建筑主要对待的仅是荷载产生的应力，其单位面积用钢量显然要多些。
4.下部地基基础结构设计优化。地基基础的结构设计优化首先要选择合适的方案，如果为桩基础，那么要根据现场地质条件选择桩基类型，尽量节省造价。桩端持力层对灌注桩桩长的选择影响很大，应进行比较以确定最合适的方案。
3 结构设计优化的现实意义
结构优化设计是择优选择，面对结构设计中的各种“矛盾”，如何得到最优解是设计师要解决的。例如，层数越多总建筑面积增大，单位建筑面积占用的土地面积就越小节约了用地成本。但建筑层数的增多，建筑总高度也会加大，楼与楼之间的间距也要加大。这时占用的土地节约量就不与建筑层数增加比例相同了，也要考虑符合规范的硬性要求。例如对于基础部分而言，虽然也是各层共用的，但是层数增加传给基础的荷载将会增大。我们需要增大基础，这样单位面积的造价有所降低，但是却没有屋盖的效果那样明显。与传统的结构设计相比，采用结构设计优化方法可以使建筑工程造价降低，优化方法的技术性实现，可以最合理的利用材料性能，使建筑结构内部各单元得到最好的协调。
4 结论
为业主提供最佳最低成本的设计产品是设计师优化设计时的目的，采取科学合理的方法优化结构的设计，并保证建筑的安全性和耐久性等，通过多种方案的计算比较才能获得建筑、结构协调一致的最优方案。随着土地成本的提高，在设计中进行结构优化变得十分重要，也是必须的工作，但不能简单地理解为仅是减少钢筋和混凝土的用量，应当严格遵守规范要求，保证结构设计优化的科学性和客观性。
参考文獻
[1]王燕，王维.浅谈高层建筑结构分析与设计[J].山西建筑，2008（05）.
[2]张晓芬.浅析高层建筑结构设计中存在的问题[J].科技情报开发与经济.2007（34）.
[3]高新艳，杜秀丽.钢筋混凝土结构优化设计[J].山西建筑，2007（8）.