结构设计优化范文第1篇

关键词：结构设计；优化技术；新型结构；形式应用

中图分类号： TB482.2文献标识码：A 文章编号：

0 引言

结构设计优化技术就是在原设计方案的基础上，结合新工艺和设备的使用，增加新材料的投入，采用新型结构体系进行局部设计的改变，使技术更可行，更加满足建筑功能要求，同时节约材料， 降低造价。从建筑上分析结构设计优化方法， 它主要体现在房屋工程分部结构的优化设计和房屋工程结构总体的优化设计量方面。房屋工程分部结构优化设计包括：基础结构方案的优化设计、 屋盖系统方案的优化设计、 围护结构方案的优化设计和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选型、布置、受力分析、造价分析等内容，在实施过程中，还应该按照一切从实际出发的原则， 结合具体工程的实际情况， 围绕房屋建筑的综合经济效益目标进行结构优化设计。

一、结构设计优化方法

进行结构设计时， 不同方案的选择及不同的建筑材料的选用对工程整体会有较大影响， 应在满足设计意图后，尽量使平面布置规则，缩小刚度和质量中心的差异，这样水平荷载就不会使建筑物有太大的扭转作用。竖直方向上应避开使用转换层，减少应力集中现象。

（1）结构优化设计模型

结构优化设计模型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： 一是设计变量的合理选择。通常的设计变量选择对设计要求影响较大的参数，将所涉及的参数按照各自的重要性区分，将对变化影响不大的参数定为预定参数，通过这种方法可减少很多计算编程的工作量。二、目标函数的确定。使用函数找出满足既定条件的最优解。最后，约束条件的确定。房屋结构可靠度优化设计的约束条件，包括了应力约束、裂缝宽度约束、结构强度约束、尺寸约束、从正常时的极限状态下弹性约束到终极状态的弹塑性约束、 从可靠指标约束到确定性约束条件等。设计中，要保证各约束条件必须符合现行规范的要求。

（2）结构优化计算方案

结构优化设计多个变量、多个约束条件，属于一个非线性的优化问题，设定计算方案时， 常将有约束条件转变为无约束条件来计算。常用的方法有拉氏乘子法、符合型法、Powell 等。完成计算方案的设定后只需编制相应适用的运算程序即可得到我们的最终优化结果

（3）推广设计标准规范和标准设计

工程设计标准规范的形成，来源于大量成熟的、行之有效的实践经验和科技成果，是科技转化为生产力的必要途径。 优秀的工程设计标准和规范， 不仅优化了设计， 减少设计的盲目性，还将大大提高设计速度， 有效降低项目的全寿命费用。 在标准规范中可以对一些重要的部位采取设计经济指标限额制度，对一些设计部位使用“宜”或“不宜”等引导性语言提示设计人员对方案进行优化， 鼓励他们在设计中大胆使用新工艺和新材料。 整体结构的科学性和合理性是新规范特别强调内容。新规范用于控制结构整体性的主要指标主要有：周期比、位移比、刚度比、层间受剪承载力之比、刚重比、剪重比等。新的建筑结构设计规范在结构可靠度、设计计算、配筋构造方面均有重大更新和补充，特别是对抗震及结构的整体性，规则性作出了更高的要求。

二、结构设计优化技术的实践应用

结构设计优化方法应用于实践之中， 是目前一个比较广泛的课题， 利用结构优化的方法在不改变适用性能的前提下达到降低工程造价的目的。 结构设计优化技术应用于项目的整体设计、前期设计，旧房改造，抗震设计等设计的各分部环节，发挥着巨大的效益。进行优化设计，要把握好技术和经济的对立统一关系，既要反对片面强调节约，忽视技术上的合理要求的做法，又要反对设计保守浪费，只重技术，轻经济的思想。在按照结构设计优化的方法及模型进行实践的过程中，要注意下面的几个问题。

（1）结构设计优化应注意前期参与

结构设计的阶段分为三个：结构方案阶段、结构计算阶段和施工图设计阶段。概念设计是展现先进设计思想的关键， 结构工程师的主要任务就是在特定的建筑空间中用整体的概念来完成结构总体方案的设计，客观、真实的理解结构的工作性能，并能够有意识的处理构件与结构、结构与结构的关系，灵活地运用它们。因为前期方案的确定直接影响建筑的总投资， 而现在存在的普遍问题就是前期方案阶段结构设计并不进行参与， 建筑师进行建筑设计时大多并不考虑结构的合理性以及它的可行性，但是建筑设计的结果却直接对结构设计造成影响，某些方案可能会增加结构设计的难度，并使得建筑的总投资提高。如果在方案的初期，结构优化设计就能参与进来，那么我们就能针对不同的建筑类别，选择合理的结构形式，合理的设计方案，获得一个良好的开端。

（2）结构设计优化应考虑采用新型结构体系

建筑工业化是我国建筑业的发展方向。 建筑工业化是在建筑标准化的基础上采用先进、 适用的技术、 工艺和装备，发展施工专业化， 提高机械化水平， 减少繁重、复杂的手工劳动作业。在目前建筑工业化的大背景下，实现建筑工业化首先应从设计开始，从结构入手，建立新型结构体系，包括钢结构体系、预制装配式结构体系，复合木结构建筑等。多层建筑应由传统的砖混结构向预制框架结构发展，高层及小高层建筑应由框架向剪力墙或钢结构方向发展。要使大部分建筑构件实行工厂化作业，减少施工现场作业。

（3）概念设计结合细部结构设计优化

概念设计应用于没有具体数值量化的情况，例如地震设防烈度，因为它的不确定性， 计算式难免与现实有较大的差异， 在进行设计的时候就要采用概念设计的方法， 把数值作为辅助和参考的依据。 设计过程中需要设计人员灵活的运用结构设计优化的方法， 达到最佳的效果。与宏观把握相对应的，设计的过程同时要注意对于细部的结构设计优化，比如现浇板中的异形板拐角处易出现裂缝，可划分为矩形板。注意钢筋的选择，I 级钢和冷轧带肋钢市场价格差不多，但是他们的极限抗拉力却相差很大，所以在塑性满足要求的情况下，现浇板的受力钢筋就可选择冷轧带肋钢筋。在做结构设计的时候，外立面上的悬挑板及配筋，满足基本的规范要求即可，达到既安全又经济的目的。

（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，应多进行比较以确定最合适的方案。设计时应重视地质勘察报告的交底工作，选择合理的基础型式，选择经济适用的方案能大大降低造价。

三、结构设计优化的现实意义

（1）结构优化设计提高材料利用率

对我国这样一个发展中国家， 结构设计的目的即是花最少的钱做最好的建筑。 从优化设计的角度， 结构性能最好的方案不一定材料利用率最高， 这就要求设计时对结构材料的充分利用，同时也强调使用各种新型建筑材料，如预应力混凝土结构、钢-混凝土结构等。其中钢管混凝土结构是将混凝土填入薄壁圆形钢管内而形成的一种新型结构， 它将两种材料有机地结合，可借助内填混凝土增强钢管壁的稳定性，借助钢管对核心混凝土的套箍作用，使核心混凝土处于三向受压状态， 从而具有更高的抗压强度和抗变形能力。 它的出现使传统意义上的受压破坏特征由脆性变为延性， 对结构抗震的延性设计意义巨大， 也使超高层建筑底层柱的轴压比限制问题迎刃而解。 钢管混凝土与钢结构相比， 在自重相近和承载力相同条件下，可节约钢材近 50%，并节约大量的焊接工作量。与普通混凝土相比，在保持钢材用量相近和承载力相同条件下，构件截面面积可减少约 50%，材料用量和构件自重相应减少约 50%。实践证明在结构设计时，使用这些新工艺设备可大大提高材料利用率，降低工程造价。

（2）进行结构设计优化提高建筑结构经济性

建筑的层高增加，由于墙体面积和柱体积增加，结构的自重会增加，基础和柱的承载力相应增加，水卫和电气的管线会加长；相反降低层高，可节省材料，有利于抗震，同时建筑的总高度减小，两建筑之间的日照距离就会减小，间接的节约了用地。建筑面积相同，建筑使用不同的平面形状时，它的外墙周长也就会不同，这样当选择圆形或是越接近于方形时，外墙周长系数就越小，基础、外墙砌体、内外表面装修都随之减少，同时其受力性能也得到提高，增强了建筑的经济性能。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 6%-34%.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。赏心悦目的建筑是建筑的美观与结构设计相互协调密切配合的结果。建筑结构设计追求适用、安全、经济、美观和便于施工五种效果，而建筑结构设计优化技术方法的应用不但满足了建筑美观、造型优美的要求又能使房屋结构安全、经济、合理，成为实际意义上的“经济适用”房。

参考文献

[1]谈建筑结构的优化设计[J].建筑科学，2009（4） 。

[2]张红友。优化结构设计减少建筑投资成本[J]. 陕西建筑，2008（11） 。

[3]马臣杰，张良平，范重。优化技术在深圳京基金融中心中的应用[J]. 建筑结构，2009（4） 。

结构设计优化范文第2篇

关键词：结构设计；优化技术；存在问题

中图分类号：TU318文献标识码： A

引言：

目前，建筑在我们的城市建设当中所占的比例是越来越大，结构设计是其中极为重要的一个环节，通过优化设计手段进一步加深对结构优化设计中的重要性认识，创造合适的条件，确定合理的目标，采用科学的控制方法，各个方面达到最佳结合，降低工程的总造价，这不仅符合现今建筑商对于建筑结构效益的追求，也是市场可持续发展的需求，更是适应绿色环保的要求。

一、建筑结构设计优化概述

对于现代的建筑来说，任何建筑物的设计都要包括建筑设计、结构设计、给排水设计、暖气通风设计和电气设计等。所有的设计都要遵循以下四步：方案设计―结构设计―构件设计―绘施工图。建筑结构设计的基本要求，即是对建筑物结构的强度、刚度以及稳定性的设计计算和验算，使其满足各自对应的容许条件，从而保证建筑物结构的可靠性和安全性。建筑结构设计主要是指建筑基础结构和上部结构。由于建筑工程所涉及到的内容非常丰富，建筑结构设计优化所包含的内容比较丰富，其中包括以下几个方面的具体内容，第一，基本结构的总体和分部优化；第二，以建筑的基本功能要求和舒适性要求为基础，对建筑结构的造价进行控制，也就是要对造价进行最优化设计。

之所以对建筑结构设计进行优化是因为优化设计能够实现对有限的空间和资源进行充分利用，提高各种设备和材料的使用效率，相关研究统计数据显示，建筑结构的优化设计与传统设计相比能够节省5%～33%的工程造价，因此，在建筑结构设计中要积极应用建筑结构优化设计技术，以推动建筑工程企业的常远发展，实现资源的充分利用。

二、关于优化设计技术中存在的问题

1、重视结构尺寸，忽略结构整体

设计人员优化建筑方案时，通常根据已给的条件来规划，以符合条件的构件截面要求，而忽略了整体结构的优化性。其实形状的优化设计要比尺寸的优化重要得多，单纯的尺寸优化不能满足优化结构的需求。不少设计人员片面的认为结构方案和布置规划经过计算机软件对上部结构的分析后，一旦构件截面符合计算结构的规定，对于地基部分，特别是软地基部分，上部结构重要性就变低了。所以设计人员一般对上部结构的构件截面没有足够的重视。

2、优化目标不能完全符合工程的需求

在实际优化设计过程中，时常伴随着很多难题，因为工程设计工作中的约束条件较多、建筑功能的限制性较多、变量也多等一系列不确定因素，致使目标函数仅能获取相对的最优解。当今利用计算机软件来优化截面，仅仅几次试验根本无法实现预期效果。因此设计的进度与时机都限制了优化方法的实现。

3、离散变量问题

由于建筑物尺寸、型钢规则型号、钢筋等都是变量，如何获取配筋和截面的最优解？如何同时满足结构正常使用状态和承载力极限状态？如何考虑结构大震、中震、小震计算？传统的梯度算法、对偶算法已经不能满足当今的工程设计需要。当前随着问题日益增多，引发了计算量剧增的组合性爆炸难题。

4、建筑结构设计与经济成本之间的关联

层数和建筑本身的成本有着非常紧密的关联，由于层数变多了，为满足抗震设防的要求，所选取的结构受力方式会发生改变以及构件的总体体量就会变大，而且相应所受到的地震力和结构的本身重量增加，导致竖向构件、基础的配筋率变大。要是降低建筑总高度的话，就能够节省物质，而且对于结构抗震来讲也很有益处，对于建筑方面，也能缩小建筑之间的日照距离，取得节约用地的效果。在相同建筑面积时，建筑平面形状不同，建筑的外墙周长系数也不相同。显然平面形状越接近方形或圆形，外墙周长系数越小，外墙砌体、基础、内外表面装修等也随之减少；对于结构方面，建筑体型均匀，利于构件水平方向及竖向的规则布置，避免薄弱层，减少结构计算时间，降低施工难度。考虑到上述综合因素，单体建筑的平面布置越规则，越能节省造价。

三、 结构设计优化技术在建筑结构设计中的应用

3.1 直觉优化技术与建筑结构设计对于同一建筑方案，可以有许多不同的结构布置设计；确定了结构布置的建筑物，即使在同种荷载情况下也存在不同的分析方法；分析过程中设计参数、材料、荷载的取值也不是惟一的：细微之处的处理更是不一样的，此类内容经由电脑是无法有效的分辨的，要靠着工作者自己辨别。此项判断必须在设计的常见规律的指引之下开展，其就是之前讲到的概念设计内容。因此，概念设计存在于设计师对多种备选方案进行选择的过程中。

3.2 概念设计处理的实际建筑设计问题该项设计要分析的内容非常多。人们都是希望能够借助于该项设计，确保结构在各项力的干扰之下不受到影响，或是把这种影响降到最小。因此，分析如何应付建筑物可能遭遇的各种不确定因素成为概念设计的重要内容。其中，地震作用最为难以琢磨，破坏性也最大。故而，建筑设计过程中就应该未雨绸缪，从计算及构造等各个方面都要采取一些有助于提高抗震能力的措施，不利于抗震的作法则应尽量避免。刚度均匀、对称是减小地震在结构中产生不利影响的重要手段；延性设计则能有效地防止结构在地震作用下发生脆性破坏；多道设防思想能使建筑在特大地震作用下次要的构件先破坏，消耗一部分地震能量。这些抗震设防思想在整个设计过程中都应该作为概念设计的重要指导思想。

四、如何对建筑结构的设计进行优化

1、关于建筑结构的规则性问题。新的建筑设计规则在这方面的内容出现了较大的变动，新规则在这方面增添了相当多的限制条件。因此，建筑结构工程师在遵循新规则的这些限制条件上必须严格注意，每一步设计都要按照规定去执行，以避免后期施工图设计阶段工作的被动。

由于针对建筑结构规则性问题应采取相应的优化结构设计措施有：结构设计始终要牢记“强柱弱梁、强剪弱弯、强压若拉原则”，注意构件的延性性能；加强薄弱部位；注意钢筋的锚固长度，尤其是钢筋的执行段锚固长度；考虑温度应力的影响力。

2、结构的超高关键问题。对于超高限建筑物,应当采取科学谨慎的态度。因为在地震力作用下,超高限建筑物的变形破坏性态会发生很大的变化。随着建筑物高度的增加,许多影响因素将发生质变,即有些参数本身超出了现有规范的适宜范围,如安全指标、延性要求、材料性能、荷载取值、力学模型选取等。因此，必须对结构的该项控制因素严格注意。

所以在优化设计时，针对抗震规范和超高规范，设计中应对结构的总高度有着严格的限制，尤其是新规范中针对以前的超高问题，除了将原来的限制高度设定为A级高度以为，增加了B级高度，处理措施与设计方法都有较大改变。在实际工程设计中，出现过由于结构类型的变更而忽略该问题，导致施工图审查时未予通过，必须重新进行设计或需要开专家会议进行论证等工作的情况，对工程工期、造价等整体规划的影响相当巨大。

3、嵌固端的设置问题。不仅关系到结构中某些构件内力分配的准确性,而且还影响结构产生侧移的真实性,以及结构局部的经济性,由于多层建筑通常都带有地下室和人防，嵌固端有可能设置在地下室顶板，也有可能设置在人防顶板等位置。

如何对嵌固端进行结构设计优化，需要做到：多层建筑在进行结构分析计算之前必须首先确定结构嵌固端的所在位置,在这个问题上，结构设计工程师需要注意如下几个方面的问题如：嵌固端楼板的设计、嵌固端上下层刚度比的限制、嵌固端上下层抗震等级的一致性、在结构整体计算时嵌固端的设置、结构抗震缝设置与嵌固端位置的协调等。而忽略其中任何一个方面都有可能导致后期设计工作的大量修改或埋下安全隐患。在建筑设计中，结构工程师应尽可能少采用或不用短肢剪力墙，以避免给后期设计工作增加不必要的麻烦。

结束语：

对于任何的建筑来讲，建筑是凝固的艺术，建筑师总是希望通过建筑物表达自己的设计意图，力求艺术性和实用性的完美结合。结构师在保证安全性的前提下，当然应该敢于挑战新的结构形式，使建筑师的意图得以实现。在开展设计的时候，要在合乎其思想的前提下，保证平面的布局规整，降低质量和刚度中心间的不同。确保建筑体在横向的受力性的干扰下不会存在很严重的扭转反应。对于竖向的布局，要在合乎功能规定的背景之中，保证竖直方向的承重件是连通的。在可以不使用转换层的时候就不用，以此来降低结构分析以及设计层次中的面对的一些不利现象。而且它还会使得应力聚集。要保证竖向的刚度是逐渐发展的，以此来防止应力聚集。其对于提升横向的受力性来讲益处非常多。

参考文献：

[1]邹俊.住房结构设计优化方法在住房结构设计中的现实应用[J].科技传播，2010

结构设计优化范文第3篇

【关键词】建筑结构；结构设计；优化方法

建筑结构设计优化技术是一门结构工程与运筹学、经济学和管理科学交叉的学科技术。作为一个建筑结构设计者来说，设计时总会产生一个能找出最好方案即优化的愿望。从二十世纪初开始就不断有人对此作过一些努力，但收效都不是太大。主要原因是：一方面受到数学、力学发展水平的影响，更主要的是受到计算手段的限制，因此，优化设计这门学科只有到了二十世纪九十年代初期，随着我国科技的进步，电子计算机在结构设计中得到较广泛应用以后，才迅速发展起来.特别是近代数字计算机软硬件的飞速发展，为结构优化的实现提供了前所未有的物质条件；有限元的发展为结构优化提供可靠、强大的分析手段，以及的数值计算方法、仿生学方法等的发展极大地丰富了结构优化的理论。这些都为现代的结构优化设计的巨大发展拓宽了令人兴奋的道路。到目前为止，现代结构设计的优化技术有直觉优化、试验优化、经济分析比较优化、优化准则法优化、数学规划法优化、仿生学方法优化、系统优化、模糊优化与灰色优化、自动优化、智能优化等等。下面文中笔者就建筑结构设计的具体方式及优化的功用进行简要阐述，并对建筑结构设计优化方法做出分析。

一、优化建筑结构设计的具体方式

随着我国的建筑业的不断发展，各种建筑项目的增多，我们看到现代建筑开始以各种各样的造型呈现出来。通过不同的造型设计可以带给人们不同的审美感受，并且也可以实现对建筑内涵的表达。因此，这是一种建筑结构设计同施工设计的完美结合。目前来看，评价一个建筑

结构设计的标准主要有以下几个方面：首先，要保证用户的使用安全，其次，要保证建筑形成过程中的经济性，也就是合理的成本控制和管理，再次，要保证建筑物可以达到和满足相关的使用需要，即适用性，再者，还要保证建筑结构的整体形式大的美观，最后，建筑结构设计要

利于施工的执行和操作。所以，由此可以得出，具体的落实现阶段的建筑结构的优化的方式有以下几种：第一，要加强对现有的建筑的优化方案的设计，即在施工之前，要充分的考虑各种施工因素，对现有的建筑需求进行全面的分析，从而得出一个合理化的设计方案。设计对于整个工程的质量形成的影响是非常大的，大约占百分之七十左右，尤其是成本控制方面，也主要是通过设计阶段来实现的。在对现有的建筑结构进行方案的确定前，要对各种细节设计进行管理，即对建筑的布局进行单项的分析和整合。第二，对建筑的优化阶段进行一定的预算编制，即在设计的过程中，采用合理的计算方式对现有的各种设计项目进行一个全面的线性优化。通过对会计活动中的各种方式和算法的运用，对现有的方案进行一个全面的计算和评估，选择合理的设计预算，可以有效的控制建筑成本，也就实现了对现有的建筑结构设计的优化。

二、建筑结构设计优化的的功用

1、降低总造价

进行结构优化设计中，多层住宅和高层住宅相比较，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。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。

2、提高建筑结构经济性

高层建筑的建设成本成了不得不考虑的重要因素，对应的结构成本更是严格控制。一个设计人员在保证建筑质量的基础上，采用合理的计算模型、计算参数、设计荷载、构造措施及合理的计算指标是达到经济合理含钢量的重要途径，应认真结合规范和具体工程情况进行选择，并依据规范和结构概念合理使用计算结果进行设计，必要时采用手算复核。现笔者以某高层建筑物工程两种状态下结构计算结果加以比较说明。建筑物的结构技术指标及钢量指标如表 1 所示。

从上表可以看出同等情况下的结构，精细化设计砼用量节省26.4%、钢筋含量比重最大的竖向构件砼用量少用37.8%、结构质量减轻12.5%、周期变长22%（在满足变形的条件下，尽量采用长周期结构刚度越小，地震力就越小）、地震剪力减小20%、含钢量节省约18%。因此只要设计人员能够合理布置结构设计方案，把工作做得更精细化，可节省不少用钢量和砼用量。有关资料表明，合理的设计可以降低工程总造价的5%～10%，甚至15%。

笔者通过分析认为如何更好的控制含钢量还应该做好以下几点：1）利用相关井道形成的剪力墙，进行合理的竖向部件布置，做到分配合理有效，减小单位面积的用钢量。在楼盖的布置过程中，增大板跨，也可以达到相应的效果。2）控制含钢量的最直接的方法就是减少钢筋的使用。高层建筑过程中可可以采用适当的砼强度等级。3）合理计算参数，在满足规范要求和指标的基础上减少用钢量。在设计高层建筑的过程中，又不少的参数是由设计者自己制定的。透彻的理解《抗规》、《高规》、《高规补充规定》中各种参数的含义，合理的配置钢筋，直接影响着含钢量。4）在对高层建筑的柱体进行设计时，柱体的含钢量对于整个建筑物的含钢量具有重大的“贡献”，所以控制柱体的含钢量就能有效的控制建筑物的含钢量。

三、建筑结构优化方法

1、并行算法

由于高层建筑结构的主要因素是结构的抵抗水平力的性能。因此，抗侧移性能的强弱成为高层建筑结构设计的关键因素，且是衡量建筑结构安全性、稳定性能的标准。

由于在建筑结构中，单位建筑结构面积的结构材料中，用于承担重力荷载的结构材料用量与房屋的层数近似成正比例线性关系。此外，用于建筑结构楼顶的结构材料用量几乎是定值，不随结构的层数变化；但是用于墙、柱等结构构件的材料用量随楼房的层数成线性正比例增加 ；而对于抵抗侧向移动的结构材料用量，与楼房结构层数的二次方的关系增长。

2、可靠度优化法

在非地震灾害区高层建筑结构的方案选型时，应优先选用抗风性能比较好的结构体系，也就是选用风压体型系数较小的建筑结构体系。比如结构外形呈曲线流线型变化的建筑结构圆形、椭圆形等，或是结构从下往上逐渐减小的截锥形体系的风压体形系数较小，有利于很好地抗风。此外，在对结构进行平面布置时，适合选取结构平面形状和结构刚度分布均匀对称的结构体系类型，这样可以在很大程度上减小风荷载作用下的扭转效应引起的结构变形和内力的影响。

3、高层体系优化法

由于建筑使用性能的不同，所以其对内部空间的要求不同。同时，高层建筑结构使用功能不同，则其平面布置也发生改变。通常，住宅和旅馆的客房等宜采用小空间平面布置方案；办公楼则适合采用大小空间均有；商场、饭店、展览厅以及工厂厂房等则适宜采用大空间的的平面布置；宴会厅、舞厅则要求结构内部没有柱子的大空间。由于不同的结构体系可以提供的内部空间的大小不同，因此，在建筑结构设计阶段，应该首先根据建筑结构的使用功能，选用合适的结构类型。

结构设计优化范文第4篇

【关键词】结构设计；优化

结构设计的目标是“安全、适用、经济”，对结构设计进行优化的目的就是使有限的空间、资源效果最大化，结构设计的优化工作就显得非常的重要。结构设计优化的方法就是合理的利用材料的性能，合理的利用结构体系的受力特性，合理的结构布置，使结构内部各单元得到最好的协调，达到规范所规定的安全度，并使其使用功能得到最大的满足。下面将通过几个方面对结构设计的优化进行探讨，以期与广大结构设计人员共勉。

1　结构整体分析

在承载各种作用的时候，建（构）筑物总是以整个结构体系协同工作的，结构体系的优劣是这个建（构）筑物的先天基础。合理的结构体系可以在安全、经济、适用等方面做到更好的协调。

1.1　结构形式的选择及结构布置

同一建筑方案，可以采用多种结构体系进行设计。建筑工程常用的结构体系有框架结构、框架剪力墙结构、剪力墙结构、筒体结构等。每一种结构形式的经济性都有所差别，且都有其相应的适应性、抗震性能。因此，设计人员在建筑结构体系的优化选择过程中，要根据建筑物使用功能的要求、建筑高度的不同、场地条件等因素，按照经济合理、安全可靠的设计原则，保证结构整体具有良好的抗震性能、足够的承载力和刚度的前提下，选择最合适的结构体系。

结构布置要求结构设计者具有化繁为简、了解各种结构特性并对其出现的各种状况采取相应措施的能力。在建筑结构设计的过程中，在基本满足建筑师设计意图的基础上，平面布置应尽量规则、对称，尽量缩小质心和刚心的距离；使建筑物在水平荷载作用下不致产生太大的扭转效应。竖向布置应在满足功能要求的前提下，尽量使竖向承重构件上下贯通且竖向刚度最好不要突变，否则突变处在水平荷载作用下会出现严重的应力集中现象，这对结构抵抗水平动力荷载是十分不利的。

笔者设计的某值班宿舍楼，平面尺寸为7×38m，平面虽然很规则，但很狭长，结构布置的时候，做到了结构刚心与质心非常的接近，但计算后的结果却不能令人满意，第一周期是扭转周期，对于结构的抗震是非常不利的。究其原因就是结构平面过于狭长，平面刚度不足，造成两端振动不同步引起了扭转效应。在增大了两端柱截面之后，虽然第一、二周期变成了平动周期，但第一扭转周期与第一平动周期的比值大于0.9。虽然抗震规范对多层建筑的周期比并不做要求，但参考高层规范的规定，比值过大的情况下结构的抗震性能并不是很好。于是笔者在两端墙体交接处各增加了一根柱子，使得两端的刚度进一步增强，且柱的布置不影响使用，结构的周期比小于了0.9，而且由于结构布置的时候刚心和质心是非常接近的，因此结构的抗震性能是非常好的。

1.2　功能要求

每一个建（构）筑物都有其预定的功能要求，设计者甚至不能满足其无限扩大的功能要求，而功能要求往往也会与结构形式产生冲突。当为了更大满足功能要求而不能采取更优的结构形式使造价增加，或者采取更优的结构形式使造价降低却但限制了一些功能上的要求时，设计者应当与建设方协调，在功能要求和结构形式上互相做出让步，以确定双方都满意的结构方案。比如框架结构、框剪结构、剪力墙结构、简体结构等满足使用者自由布置空间的能力是不同的，一般情况下按上述排序该能力是越来越弱的，但结构体系的刚度却是越来越强的，适用的最大高度是越来越高的。当某建筑物的高度接近框架结构的适用最大高度时，其结构成本相对是比较高的，可以考虑采用框剪结构，如建设方认为框剪结构影响了其功能使用，且结构成本对其影响不大时亦可继续采用框架结构。但通过沟通，在采用框架结构的同时，在不影响其功能要求的某些位置设置少量的剪力墙以加强结构的抗侧刚度则不失为更优的结构方案。

2　改变约束条件

改变约束条件是进行结构设计优化的一种有效的手段。

某水厂水池，由于施工单位的失误，池壁钢筋产生严重的偏位，按偏位后的截面进行复核，池壁承载力已经不够。笔者采用增加约束的办法进行处理。将池壁上部的走道板强化设计，作为池壁的上部约束，经复核此情况下偏位后的钢筋满足要求。

某门式刚架厂房，笔者最初设计时对刚架的底部按固端约束进行计算，发现刚架的基础非常大，造价很高。后经优化，减掉部分约束，改为铰接，基础尺寸大为减小，柱脚构造施工难度变小，且上部构件截面增大不多，取得了良好的经济效益。

3　构件分析

每一种结构构件都有其最经济的使用范围，每一种截面尺寸均有其最经济的承载状况。通过构件分析进行结构优化的目标是使构件的截面尺寸更合理，充分发挥材料的结构性能。

笔者在设计水处理构筑物的时候，通过采用通用计算软件分析发现控制构件配筋的最不利弯矩衰减得非常的快，这些在普通的静力计算中是察觉不到的。根据这个特性，在大尺寸的池壁设计中，可以采取沿高度逐渐减小池壁厚度和逐渐减少配筋量的方法来更合理的发挥材料的性能，取得更好经济效益。

牺牲某些结构构件的部分经济性，达到更高的整体经济效益则是另一种结构优化的方向。例如，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，其不一定能实现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。虽然宽扁梁在经济指标上与常规梁相比并非最优，但对比整体经济效益和结构增加的投资，整体经济效益大时，做宽扁梁设计是个值得考虑的结构设计优化方向。

4　材料选择的优化

结构承载能力的载体就是材料，工程实践证明，设计阶段合理选择建筑材料，控制材料单价或工程量，是控制工程造价的有效途径。建筑材料应尽量选用性价比高的高强度建筑材料。例如HPB300、HRB335和HRB400这三种钢材的价格比较接近，但它们的抗拉强度值是270：300：360=1：1.11：1.33，可见采用高强钢筋的性价比高。采用高强度钢筋减少了用钢量的同时，还减少了施工量，增加施工可操作性，减少了施工难度。当柱截面由轴压比控制导致尺寸过大时，可以采用更高等级的混凝土，以达到减小结构尺寸，增加使用空间的目的。结构设计者可以与建筑设计者协调采用轻质高效的建筑材料，如填充墙材料宜采用轻质墙体，屋面采用轻质防水材料等，这些材料的使用既可增加室内的使用空间，也能减轻结构自重，减小地震作用，进而减少结构主要受力构件的用钢量和混凝土用量，减少了结构部分的投资。

5　计算模型的优化

实际结构是很复杂的，完全按照结构的实际情况进行力学分析是不可能的，对工程设计而言也是没有必要的。因此结构设计时，都需要采用某个计算模型对结构实际状况进行简化模拟，计算出结构在各种工况下的效应。结构计算模型的准确性决定了计算结果的合理性及对工程设计的指导意义。

纵观结构设计软件的发展历史，就是结构计算模型提高准确性的发展历史。在计算机高度发达和通用计算逐渐普及的今天，结构设计者拥有了更多的选择对结构进行更为合理的模拟计算，设计者可以得到更为准确的结果，从而更为合理有效的进行材料配置，提高经济效益。

由于业主功能需求的变化，某已建成的建筑物空间布置发生了较大的改变，部分楼板荷载超出了原设计的规定。笔者在对此建筑物结构进行技术鉴定时，考虑到原结构设计是采用梁柱模型计算的，楼板并未直接参与计算，仅估计了对梁刚度的影响，可能实际结构承载能力还有一定的富余。笔者采用了梁柱与板壳元共同工作的计算模型进行复核，并对其局部荷载进行精确施加。最终验算的结果表明原结构基本能满足要求，仅需进行小的调整即可满足结构安全。

在水处理构筑物的设计中，水池底板的设计一直都沿用传统的倒楼盖法，整个底板的地基反力是按均布荷载布置的，这与实际的受力状况有很大的不同，造成了底板用钢量过大的结果。在使用通用计算已成为可能的今天，可以考虑采用更为接近实际状况的有限元模型进行受力分析，并以此结果指导配筋将会更为合理且更为经济。

结构设计优化范文第5篇

【关键词】结构优化；降低造价；精心设计；保证安全

Talk about building structure of excellent turn design

Yang Jian

（ Nanyang City， Henan Province， Architectural Design and Research Institute， Nanyang， Henan 473000 ）

【Abstract】to maximize the efficiency of investment， each investor is the pursuit of investment objectives. Through the optimal design of the building structure， not only to improve building safety， and can effectively reduce the construction cost， construction products with a higher price. Based on the structural design， the choice of the structure of the programmed， structure， material selection， and regulate the use of a designer boutique to cultivate awareness of the structural optimization and design of the system on， elaborated on the significance of structural optimization， optimization methods And optimize the way for the designers of the structural optimization of the structure designed to provide information.

【Keywords】structural optimization； lower cost； carefully designed； ensure safety

在工程建设过程中，建筑功能的实现与工程投资的控制是工程建设的两大目标。而进行工程投资控制的关键在项目决策和设计阶段，在项目作出投资决策后，其关键就在于设计阶段。在建筑工程的设计阶段，当满足建筑的诸多功能后，工程造价的控制是每个投资者最为关注的主要内容，也自然成为投资者评价设计质量优劣、衡量设计水平、选择设计单位的重要标准。为了在日益激烈的设计市场竞争中求得生存与发展，为业主提供优质的设计产品，提高设计产品的经济性，已成为每一个设计单位努力追求的目标。由于在建筑产品中结构造价所占的比重很大，通过对建筑结构的优化设计，不仅能够提高建筑物的安全度，而且能够有效的降低工程造价，从而实现投资效益的最大化。在建筑结构设计中，当建筑方案产生后，结构从选型和布置开始就存在优化与否的问题，再加上后续每一道工序的精心设计、准确计算、合理选用等全过程的优化设计才能产生优化的结构。下面就结构设计优化的一些途径，谈一下笔者的一点看法，以期与广大结构设计人员共勉。

1.选择合理的结构方案

在建筑设计方案确定后，对于同一个建筑设计方案，结构设计方案往往不是唯一的。不同的结构方案会使工程造价和工程质量产生很大的差别，所以选择合理的结构方案便显得尤为重要，只有采用合理的结构设计方案才能实现“技术先进、安全适用、经济合理、确保质量”的设计目标。也只有采用合理的结构设计方案才能真正实现投资效益的最大化。在结构方案的选择上，应遵循以下的一些基本原则：

（1）要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、刚度和良好延性的同时造价最低。

（2）尽可能使结构的受力与传力途径简单、直接、明确。传力途径复杂会出现多次转换的结构构件，这样会导致造价的提高，也容易出现计算错误产生安全问题。采用最简单、直接的传力途径，可以省去中间传递的结构构件，减少结构的安全风险，使结构受力更加明确，其造价也相对经济。

（3）保持整个结构安全可靠度的一致性。应通盘考虑整体结构的每一个构件，使结构构件能够同时发挥其最大效能，确保达到规范规定的设计目标水准，实现结构既经济又安全的目标。

（4）使结构平面布置的抗侧力刚度中心与建筑物的外力作用中心或质量重心尽量接近或重合，以避免或减小外力作用下结构的扭转效应，因为抵抗结构的扭转所需增加的材料用量是很大的，可以说结构平面布置的不规则既不经济又不安全。

（5）加强与建筑师的沟通与协调。一个设计精品是建筑师和结构工程师创造性合作的共同成果，在满足建筑物的功能和建筑师创意的前提下，结构工程师有责任对建筑方案提出建设性的意见，与建筑师一起构思最佳的结构体系。结构工程师只有加强结构概念的培养，才能比较客观、真实地理解结构的工作性能。并综合运用其掌握的结构概念，通过反复试算、反馈和优化，选择效果最好、造价最低的结构方案。

2.进行正确的结构计算

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。过去对一些复杂结构的设计完全依靠概念、经验和估算来完成，为保证结构安全，结构设计的安全度往往富余很多，造成不必要的浪费。现在工程师可以在概念、经验和估算的基础上借助计算机进行可靠的分析计算，并通过对计算结果的分析，发现结构的薄弱部位和设计的不足之处，对结构体系以及结构构件的合理尺寸做出相应的调整，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：

（1）不能盲目的依赖计算机。因计算软件的缺陷和设计人员不加分析的盲从而导致设计错误的现象时有发生，所以对用于结构设计的计算程序的基本理论假定、应用范围和限制条件以及程序与规范的结合一定要搞清楚。

（2）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。避免因数据输入错误造成计算分析结果的错误或较大的误差。比如，高层建筑标准层荷载数据的输入出现错误，其累加后对结构计算所产生的影响是不容忽视的，将导致计算结果要么不安全、要么不经济。

（3）对计算参数的选取要正确合理。选取不同的计算参数会得出完全不同的计算结果，要根据实际结构的具体情况和计算程序的功能要求合理选取。比如，框架结构计算中，周期折减系数的取值，要根据实际工程中框架填充墙的材料和数量，选取恰当的数值对计算周期进行折减，若折减系数选取偏大，会使计算地震力小于实际的地震力，造成结构分析偏于不安全，反之则不经济。

（4）注意实际结构与计算模型的差异。所有的计算理论和设计程序都是建立在一些假定和理想的计算模型之上的，而实际结构的受力状态又是千差万别的，一味地依赖电脑或计算手册的计算结果进行结构设计会给结构留下较多的隐患，所以任何构件的计算都应根据实际情况确定结构的约束关系，并利用结构概念、工程经验对计算结果进行仔细的分析，判断其是否合理，以确保最终结构设计的正确。

3.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，以充分发挥钢筋的抗拉性能，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。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，可采用型钢混凝土和预应力混凝土或钢结构等，以达到适用、安全、经济的目的。实际工程中，因材料选择不当造成浪费的情况很多。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，不仅高标号的混凝土不能充分发挥其强度作用，而且为抵抗高强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随之增加，从而导致工程造价的提高。

4.正确理解运用《规范》

《规范》是我们在设计中必须遵循的“最低”标准，是国家的技术经济政策、科技水平和工程实践经验的总结。全面理解规范条文的概念、定义、前提条件和适用范围，是正确运用《规范》的前提和基础，盲目的照搬规范的具体条文会导致设计失误，造成质量安全隐患和经济损失。作为一个结构工程师，一方面必须熟悉、理解和吃透规范条文的真实含义，另一方面必须客观理性地正确对待规范。对《规范》中的“强制性条文”要不折不扣的执行，而对《规范》中的“非强制性条文”工程师可以运用自己的理论知识、结构概念和实践经验，在《规范》条文思想的指导下，针对具体的设计对象、环境和使用条件，以工程的安全性和经济性为目标，创造性地灵活选用规范中的数据。盲目照搬硬套不但会限制创新成果、影响设计创作，阻碍工程技术的进步，也会造成不必要的浪费。因为即使规范再详细，也不可能包罗实际工程中遇到的所有技术问题。对《规范》中的构造措施要给予足够的重视。在实际工程中，一些设计人员过分依赖结构计算分析结果，不同程度地存在忽视结构构造措施的问题。以抗震设计为例，我们都知道，地震是一种很复杂的自然现象，我们对地震发生时建筑物的破坏机理还不十分清楚，对地震的破坏现象也只是停留在感性认识阶段，建筑物抗震计算的原理也只是一种近似方法。建筑抗震设计是建立在对震害分析和总结的基础上，通过概念设计、结构计算和构造措施三部分来实现的。所以，我们在进行建筑抗震设计时，不但要遵循《规范》提出的抗震设计原则和抗震计算方法，同时还要重视抗震构造措施。

5.树立精品意识

对结构优化设计的过程是结构工程师打造设计精品的过程。要求结构工程师不仅要具备深厚扎实的专业基本理论基础、丰富的实际工作经验，更要有尽心尽力、精益求精、追求完美的精品意识。设计单位要提高市场竞争能力，必须实施精品战略、走精品之路。改变以往在管理上重业务经营轻技术质量，造成设计人不注重技术水平的提高，设计只要保证不出大的质量问题，方案的好坏、造价的高低无关紧要，使优化设计失去内在动力。导致对设计方案不认真进行经济分析，而是为保险起见，随意加大安全系数，造成投资浪费。只有在单位内部管理上把设计质量同个人效益挂钩，才能提高设计人员的质量意识和经济观念，促使结构专业经济化。预算专业可以提前介入到结构设计的方案阶段，为结构工程师提供必要的经济分析数据，改变以前设计过程中不算帐，设计完了预算见分晓的现象，通过结构工程师与造价工程师对设计质量和经济指标进行全过程的控制，实现设计产品技术质量与经济的统一。要落实各级技术岗位责任制，通过各环节层层把关，把提高设计质量、创设计精品的工作贯穿于整个设计过程之中。

通过结构优化设计来降低工程造价是控制工程投资的一个有效途径，而正确处理技术与经济的对立统一是控制投资的关键。不能片面强调节约投资，而降低技术和质量标准，又要反对重技术、轻经济，设计保守浪费的现象。建筑结构设计的首要任务是满足建筑功能的需求，实现建筑物适用、安全、美观、经济的目标。结构设计不仅要做到保证结构安全，而且要尽可能的降低工程造价。结构造价在建筑工程中所占的比重很大，通过精心设计所带来的经济效益是十分可观的。实现安全与经济的最佳结合，也是衡量一个结构设计人员专业水平和能力的主要标准。结构工程师要珍惜每一项工程的设计机会，将优化设计贯穿于结构设计的整个过程，精益求精的完成每一项设计工作，创作出既保证结构达到《规范》要求的安全设防水准，又节省工程造价，同时还能最大限度地实现建筑师的创作思想和令业主满意的产品，从而真正达到优化设计的效果。

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