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工程结构优化设计基础范文1
关键词：结构优化设计的方法、基础优化设计，现实意义
Abstract: in the building structure design, the choice of different design, and choose different kinds of building materials of engineering cost will be produced great influence, so the structure optimization design scheme is particularly important, this paper mainly expounds the structure optimization design method, as well as to the need for the main part of the optimization design was analyzed, and puts forward the structure optimization design of practical significance.
Key words: the structure optimization design method, on the basis of the optimization design, the practical significance
中图分类号：TU318文献标识码：A文章编号：
开发商只有不断寻求新的手段才能满足消费者的需求，因此降低工程造价就成为开发商首要的追求目标了，要实现这个目标就需要利用结构设计的优化设计方法，来提高有限空间的利用率，使有限的资源发挥更大的作用。
一、结构优化设计的方法
一个优秀的建筑不仅仅是美观与优化结构设计的紧密配合，更是满足了人们对房屋结构安全性能、经济性和设计合理的要求，所谓的结构优化设计方案，就是结合原来的设计方案、新的工艺和设备、新材料的投入，对局部的设计进行改变，不仅要满足技术和功能可行性的要求，还要节约材料使工程造价明显降低。
1、建立结构优化设计的模型
结构优化设计是在各种变量参数中选择主要的参数，并为其建立函数模型，运用合理科学的方法计算出最优解。建立优化结构模型的步骤大致如下：一是，选择合理的设计变量。因为各种设计变量的选择对设计要求的影响是比较的大，在设计的过程中可将所涉及到的变量按照其自身重要性进行区分，将一些变化不大的参数定为预定参数，通过此项工作能减少计算和编程的工作量。二是，确定目标函数。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。①在设计的过程中，要保证各种约束条件必须符合要求，找到满足条件的最优解，并确定约束条件。
2、选择结构优化计算方案
结构优化设计是个非线性的优化问题，在设计中涉及到多个变量和多个约束条件，设定好计算方案，通常是将约束条件变为无约束条件来计算。拉式乘子法、复合型法和POWELL等方法是常用的计算方法，在完成了相应的计算方案后再进行编程运算即可完成最终的优化设计结果。
二、需要进行优化设计的主要部分
在建筑结构优化设计中，不同方案和不同建筑材料的选择对工程的造价都会造成不同影响，尤其是在基础类型的选用、开间的确定、层高与层数的确定以及结构形式选择等方面都有着重大关系。据统计，在满足同样功能的条件下，经济合理的优化设计可以使工程的造价降低10%左右。基础、柱、墙体、楼板、梁、屋面板等是建筑结构的主要组成部分，这几个部分在工程造价中所占的比例也不相同，结构优化设计时对工程的造价影响也不相同，所以在优化方案设计过程中的侧重点也不尽相同。
1、对基础结构的优化设计
基础结构在整个工程工期的1/4左右，并且基础造价也占到总造价的10%-20%，所以基础工程结构的重要性也是显而易见的。而且基础结构工程的造价还与地质条件是密切相关的，设计时对地质勘探报告要求也是极高，选择合理的基础形式、控制好基础的截面尺寸和埋深，能相对减少基础结构在总工程造价中的费用。
2、柱网布局和柱子截面的优化设计
柱网布局决定柱子的开间和跨度（纵向或横向相邻的两个柱子的间的距离），柱网的尺寸一般来说在6到12米之间，如果柱距小那么其传力路线就短，上部结构的材料就能节省，但是这可能使基础费用偏高，所以说柱网布局是否合理，对工程的造价有很大的影响。另外，柱子的截面形状和尺寸对工程造价也有着直接的影响，所以合适的柱网布局、柱子截面的形状及尺寸的选择对工程造价的影响是很明显的。
3、梁的优化设计
在结构设计时通常采用矩形截面梁当做受弯梁，但是这种情况下材料的利用率较低。因为，首先，在靠近中和轴附近的材料的应力较低，再者，梁弯矩会沿梁长变化而变化。由于截面梁大部分区段的应力较低，材料都不能得到很好的利用，要想提高材料的利用率，在设计时可采用平面桁架来代替矩形梁，此时平面桁架就相当于掏空梁，掏去了梁中多余的材料，减轻了其自身的重量，这样既经济又实用，大幅度地提高材料的利用率。
4、结构构件配筋计算的优化设计
在计算建筑物构件尺寸及配筋的过程中，多次反复调整构件尺寸并进行计算，从中总结出最优化的结构尺寸，使得在一个固定荷载常数下，得到最为经济的计算结果。计算结果应满足两个重要的指标：a、计算结果应首先确保结构的安全性，这是重中之重。b、在满足安全的前提下，使配筋量大致控制在结构计算配筋的范围内，使得构件内的钢筋量切实地发挥其受力作用，而并非作为仅仅起到支架作用的构造配筋量。经本人粗略统计，采用此法设计，可以使得最终钢筋量控制在首次计算结果的80%至90%左右。
三、结构设计优化的现实意义
1、降低工程总造价
在进行结构优化设计时，高层与多层住宅相比，层数明显更多，这样总建筑面积也就增大了，单位建筑面积占用的土地面积就越小，从而节约了用地成本，但建筑层数的增多，建筑物的总高度也会加大，这就需要增大楼与楼之间的间距，这时所占土地量的节约就与建筑层数增加不成比例了，因此合理计算单位占地面积在降低总成本中显得更为重要。另外，在高层中一栋楼只有一个屋盖，这并不会因为层数的增加而改变，所以它的成本会有比较明显的下降。
2、提高建筑物结构性能的经济性
由于建筑物层数的增加，使得墙体面积和柱体积总面积有所增加，结构的自重会有所增加，这样基础部分和柱的承载力也会相应地增加，水、电、暖的管线就会加长；相反如果降低层数，就可以节省材料，提高抗震能力，同时由于建筑的总高度有所减小，两建筑之间的日照距离也会减小，这样就间接地节约了用地。在建筑面积相同，建筑物采用不同形状的平面时，它们外墙的周长也不相同，这样当选择圆形或是越接近方形时，外墙周长系数是越小的，从而使得基础部分、外墙砌体、内外装修表面都会随之减少，同时其受力性能也将得到大大的提高，也就增加了建筑的经济性。
四、结束语；通过优化设计手段进一步加深对结构优化设计在工程造价控制中的重要性认识，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。
参考文献
工程结构优化设计基础范文2
关键词 建筑；设计；结构；优化；方案；抗震；
Abstract: With the social development and progress, we have more and more attention to optimize the design of building structures, building structures to optimize the design for the real life of great significance. This paper describes the architectural structure to optimize the design of relevant content.
Keywords architecture; design; structure; optimization; programs; earthquake;
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
引言
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。
1、建筑结构优化设计的基本理论
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，3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)功能性
建筑是人类的基础物质生存环境，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。对功能性的满足也不再局限于传统的实用，而是增添了舒适性、美观性、协调性等多种新元素，满足人类对基础物质生存环境的更高要求。
(2)安全性
建筑作为人类生存的基础生存环境，与人类的生产、生活紧密相关，安全性成为建筑结构优化设计的必然考虑因素。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，其作为建筑不但没有任何实际意义，反而会给人类正常生产和生活带来致命的危害。因此，安全性是结构优化设计中的必然考虑因素。
(3)经济性
建筑结构优化设计的经济性是市场经济条件下对资源配置提出的新要求。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。另外，各种材料资源都存在一定的稀缺特性，建筑结构的优化设计能科学合理的减少材料的使用量，节省建设材料使用成本。
(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。在建筑资源的材料选用方面，在保证建筑本体功能性、安全性的基础上，最大可能的选择节能环保型材料，同时，在结构优化的整体布局中，不仅强调建筑主体内部结构的统一与环保，也包括建筑建设过程中废旧材料的处理与应用，更不能忽略建筑未来使用过程中对环境产生的重要影响。另外，材料选用的环保、整体布局的环保也是结构优化设计过程中安全性的体现。
2. 建筑中的优化设计方案
（1) 房屋结构周期性折减系数。房屋框架结构和顶盖等结构设计中，因为填充墙体存在使结构实际表现刚度大于设计计算刚度，计算周期也会大于实际周期，所以当算出结构剪力偏小时，会使房屋的某些结构不安全，而应该对房屋结构计算周期适当的进行折减，这样能达到很好的效果，但是对于房屋框架结构，计算的周期不宜折减或折减系数取小。
（2) 耐久性的优化设计。在之前大部分混凝土结构设计方案中，很多没有充分考虑到建筑结构设计耐久性，也就是保证房屋建成之后，在合理使用期限内，要能满足用户正常使用要求。但是很多的设计未能达到，造成此现象的根本原因是没有充分考虑到建筑结构在使用的过程中，由于遭受条件和使用环境变化最终造成房屋结构损伤，引起房屋可靠度指数下降。对一般高层混凝土结构设计来说，低造价和省材料设计都应为满意的结构设计，但随着人们生活水平的提高和在实际工程中，有时在其他使用要求或技术指标上升为设计主要矛盾时，设计者们就要放弃对经济的单纯追求。所以当选以混凝土结构优化为设计的主要目的时，就应依据设计所要面对的关键性问题，分清主次，选多目标或单目标来实施优化，达到满意效果。
3．建筑结构抗震设计内容
建筑结构的抗震设计分为两大部分：计算设计和概念设计。以达到合理抗震设计的目的。
3.1 计算设计
建筑结构抗震计算包括两部分：地震作用计算和结构抗震验算。
3.1.1 地震作用计算
地震作用曾称为地震荷载，包括水平地震作用、竖向地震作用和扭转地震作用，它与地震的性质和建筑结构的特性有关。地震作用计算的方法有：反应谱法、振型分解反应谱法和动力分析法（时程分析法），其中反应谱理论被广泛的运用于地震作用的计算。
（1）反应谱理论是一种拟静力方法，它是考虑了结构的动力特性（自震周期、震型和阻尼）所产生的共震效应，其计算过程是先用动力方法计算质点体系地震反应，建立反应谱和反应谱曲线，然后用加速度反应谱计算结构的最大惯性力作为结构的等效地震荷载，最后按静力方法进行结构计算设计。反应谱理论是依据弹性结构地震反应得到的，但如果遇到强烈地震结构进入弹塑性阶段时，则反应谱理论不能计算出构件进入弹塑性状态的内力、变形，也无法找出结构的薄弱位置，因此专家提出了延性这一概念，利用延性系数来概括结构超出弹性阶段的抗震能力，从而使反应谱由弹性变成塑性。
工程结构优化设计基础范文3
【关键词】住宅项目；结构优化设计；基本方法；的困难；建议；实例分析
1 引言
由于建筑产品单一性的特点，特别是不同地质条件对基础造价的影响很大，致使开发商难于确定针对每项具体工程的经济合理的限额设计指标。在进行建筑方案设计时，开发商和设计人员一般只重点关注使用功能的合理性和建筑立面的美观，而对不同建筑平面布置、不同进深与开间尺寸、不同立面形式、层高与层数等对投资的影响，很少进行考虑。在结构设计时，由于结构设计人员经济意识不强，缺乏经济技术比较手段，结构设计时间紧等原因，在结构方案的选择及结构材料选用时，往往只凭经验进行确定，很难使结构设计达到经济合理。
作者通过对多家设计单位、多项工程的结构施工图进行优化分析，在满足同样建筑功能的前提下，通过结构优化设计后，一般可比常规设计降低土建工程造价5%～10%左右。特别是对于面广量大的多层住宅开发项目，进行结构优化设计具有很好的经济价值和现实意义。
2 结构优化设计的基本方法
结构优化设计是在保证建筑使用功能和建筑总体效果的前提下，通过选用合理的结构体系，优化结构布置，对结构受力进行详细计算分析，使整个结构体系既安全可靠，又经济合理。优化后的结构设计，既要满足现行结构设计规范的要求，又使结构各构件之间达到最合适的比例关系，以提高结构整体的抗震性能、抗风性能等功能。同时，优化后的结构设计必须方便施工，易于在工程实践中实施。结构优化设计一般可从下列五个方面进行。
2.1 结构优化分析方法
工程结构的优化分析包括两个层次:一是结构体系的优化，主要是确定结构形式、柱网尺寸和墙体布置等；二是对结构构件进行优化，在己确定结构体系的前提下，确定构件的截面尺寸和混凝土强度等级。
在传统设计中，结构体系的确定和构件截面尺寸是凭经验假定的，然后进行分析计算，校核是否满足规范要求，是一种被动的设计方法。优化设计也需要先进行假设，但假设目的不一样，所采用的分析方法也不同，优化设计需按一定的优化方法进行搜索，从而达到结构造价最优，是一种主动的设计方法。
2.2 荷载精细化计算
为取得良好的优化效果，在荷载取值上要进行精细化计算。在计算墙体荷载时，应考虑实际墙体高度、长度和开洞影响，墙体高度的取值应扣除钢筋混凝土梁板的高度，墙体长度的取值应扣除钢筋混凝土墙柱的长度，并应扣除洞口面积。消防车等荷载宜按等效荷载取值。楼面活荷载按实际使用功能合理取值，并按规范规定考虑楼面活荷载的折减。正确取用抗震防护烈度、场地类别，合理确定风荷载标准值和风载体型系数，必要时可根据风洞试验确定风载体型系数。根据不同荷载组合和不同计算内容选用荷载分项系数。在进行基础设计时，当上部结构传给基础的荷载为设计值时，应将设计值转换成标准值。
2.3 准确理解和使用规范
认真学习国家和当地有关设计规范，理解规范实质，并注意规范的适用范围和规范使用的配套性。如采用《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008),《建筑地基基础设计规范》( GB50007-2002)进行桩基设计，在计算桩数时，荷载效应采用标准组合，对应的抗力采用单桩承载力特征值;在确定承台高度及配筋，验算材料强度时，荷载效应取基本组合，采用相应的分项系数，对应的抗力计算采用材料强度设计值。设计人员必须概念清晰，避免混淆。
2.4 构件尺寸及配筋的合理设计
构件尺寸一般先按经验确定，然后进行强度验算。在优化设计时，应对不同构件布置方式和不同截面尺寸进行配筋计算，并作经济比较，以确定最优构件布置方式和截面尺寸。剪力墙如能合理布置，可使大部分剪力墙的配筋不是由内力控制而是构造配筋。抗震墙分加强部位和非加强部位，边缘构件分约束边缘构件和构造边缘构件，这两种边缘构件的配筋相差很大，应分别按不同的构造要求进行配筋。对于截面宽度较小的梁，配筋量较大时需放2～3排钢筋，可将梁宽适当放大，尽量布成单排，以增大梁的有效高度。跨度较大的悬臂梁，除角筋外可在跨中切断，既节省钢筋又方便施工。
2.5 合理的构造设计
按构造配置的钢筋，只需满足最小配筋率要求，不必提高其配筋。较大直径钢筋优先采用焊接或机械连接，钢筋搭接和锚固长度应按规范公式进行计算，不必加长。剪力墙结构中存在部分短肢剪力墙时，不应整体提高抗震等级，只需对短肢剪力墙的抗震等级提高一级。
2.6 选用高性价比材料
要降低钢筋混凝土结构的用钢量，应尽可能采用性价比高的高强度钢筋。HRB400的强度设计值比HRB335高20%，HRB335比HPB235约高43%，而不同强度等级钢筋的价格相差一般不超5%。可见，性价比从高到低依次为:HRB400, HRB335, HPB235。对于配筋按强度控制的构件，直径≥12mm的钢筋应优先选用HRB400钢筋；直径
通过对受弯构件经济配筋率的计算分析可看出，当混凝土强度等级>C30时，采用HRB400比HPB235可降低20%用钢量;当混凝土强度等级=C30时，采用HRB400比HPB235可降低7.5%用钢量;当混凝土强度等级C30时，应优先采用HRB400钢筋，而当混凝土强度等级
3 推行结构优化设计存在的困难
3.1 对设计的经济性缺乏考核指标
由于设计工作的特殊性和建筑产品的单一性，不同的工程有各自的特点，难于确定每个工程项目的合理经济指标，所以针对不同项目的设计成果，对设计的经济合理性缺乏明确的量化考核指标。施工图审查单位在审图时，重点是审查设计单位的资质、建设手续、设计施工图是否满足强制性条文和设计规范的要求，强调结构的安全可靠性，而对设计是否经济合理不作审查。
3.2 开发商对优化设计的意识不强
开发商往往把投资控制的重点放在施工环节上，而对设计对投资影响的重要性认识不够，对设计环节控制重视不够。开发商很重视施工招标，在施工招标中，施工单位通过投标报价让利和其它优惠条件争取中标，从而使开发商的工程建造成本得到有效控制，但往往忽视了设计方案的优化会带来更大的经济效益。虽然目前已普遍实行设计招投标，但在设计招标评标时，往往过于看重设计方案的效果和设计费报价，而对设计方案的经济合理性、设计团队的设计能力、设计优化能力重视不够，同时，设计的经济合理性又很难进行界定，故难于在设计招标时对设计的经济合理性进行有效的评判，并作为选择设计单位的重要指标。
在方案设计阶段，为了获得满意的设计效果，开发商往往愿意花费较长的时间对设计方案进行反复修改，而设计方案一旦确定，对初步设计和施工图设计的时间往往抓得很紧。特别是结构设计，设计计算和绘图的工作量大，结构施工图又是最先用于施工的，出图时间很紧，结构设计人员往往要连续加班，才能满足业主的出图时间要求。在这种情况下，设计人员根本没时间进行多方案的经济技术比较。
3.3 设计单位对优化设计缺乏动力
由于目前尚缺乏公平的设计市场竞争机制，设计收费是按建筑面积或按造价的一定比例计取，几乎跟投资的节约和设计质量的优劣无关，不能做到优质优价，使优化设计失去动力。由于设计是否经济合理与设计人员的利益无关，导致方案设计时只重视立面效果，追求高标准，而不重视经济分析；施工图设计时不重视结构方案的经济比较，为保险起见或为了减少计算和绘图工作量，随意放大配筋，造成投资浪费。
由于进行优化设计要付出比常规设计多得多的人力和物力，设计单位即使花费了较多的人力和物力，优化了设计方案，通过多方案经济分析，为业主节约了投资，也不能得到应有的报酬。在设计单位内部管理上，设计人员的收入一般都是与项目的设计费挂钩的，在同一项目上投入的精力越多，设计人员的收入水平必将降低，从而严重挫伤了设计人员对优化设计的积极性。
4 对推进优化设计的建议
4.1 从政策上鼓励优化设计
为推进优化设计工作的进行，政府主管部门在制订设计费收费标准，对设计质量进行评估，进行优秀设计评选，制订施工图设计文件审查办法等工作时，应将设计的经济合理性作为重要考核指标之一。审图公司在进行施工图设计文件审查时，除审查设计单位的资质、建设手续、设计施工图满足强制性条文和设计规范的情况等内容外，应将设计的经济合理性作为审查内容之一。政府主管部门应加强对设计市场的管理力度，严格通过资质管理、人员注册、设计招标、图纸审查等环节来规范设计市场，提高设计质量。主管部门可通过总结推广标准设计、公布合理的技术经济考核指标，推进优化设计工作。
4.2 推行设计监理或设计咨询工作
提高设计质量，推进优化设计工作，仅靠政府主管部门的监控和审图公司的施工图审查还远远不够。优化设计的控制重点应在设计过程中。要加强设计过程控制，就必须推进设计监理或设计咨询工作。通过设计监理或设计咨询单位可打破设计质量靠设计单位自己控制的局面，实现通过第三方对设计过程和设计成果进行把控。
4.3 结构优化设计的开展形式
结构优化设计对专业业务能力的要求很高，仅靠开发商自身的力量难于完成，需委托具有丰富的结构设计经验，在结构优化设计方面具有良好业绩的专业人员进行。开展结构优化设计可采取下列三种形式:
4.3.1 从方案设计阶段开始，聘请具有丰富经验的专家作为结构优化设计顾问，在设计全过程提供结构优化的合理化建议，通过过程控制，使结构施工图设计达到经济合理。
4.3.2 在初步设计图纸完成后，进行结构方案优化和构件优化，提出详细的优化后的结构方案、设计参数取值以及各构件的截面尺寸和混凝土强度等级等，与设计院沟通并在施工图设计阶段实施。
4.3.3 在设计院设计施工图完成后，进行优化设计研究，提出详细的结构优化方案、设计参数取值以及各种构件的截面尺寸和混凝土强度等级等，与设计院沟通并修改结构施工图。
上述第一种形式操作较方便，不影响工期，不增加设计单位工作量，但优化效果难于评判;第二种形式不增加设计单位工作量，可对优化效果进行评判，但对工期有一定影响;第三种形式对优化经济效果可进行详细计算，但设计施工图返工工作量大，对工期影响较大。
5 结构优化实例分析
乐清市某小区工程总建筑面积5.7万平方米，包括多层住宅、低层联排住宅和地下车库等。该工程的结构优化是建立在施工图设计的基础上，以不影响建筑使用功能为前提，同时又要确保建筑物安全和抗震能力，也就是必须满足现行的国家以及地区的行业标准。结构优化的主要内容为对该工程进行结构方案优化及各类构件的优化:结构优化的目标函数为房屋结构造价，最大限度地以低成本建造高安全度的房屋。主要优化内容如下:
多层住宅原设计采用沉管灌注桩，柱下独立桩基承台，承台之间设置基础拉梁。由于该建筑柱的轴力不大，但桩的承载力较大，优化后桩型不变，采用梁下布桩方案，可以使得布桩更加灵活。由于大部分桩均布置在墙下，故承台梁的内力不大，配筋基本接近构造配筋。
上部结构原设计为剪力墙结构，优化时对异形柱框架一剪力墙结构体系和剪力墙结构体系两种结构体系进行了分析比较，异形柱框架一剪力墙结构体系更经济。因考虑到现场实际施工进度以及设计院图纸修改工作量的问题，为不影响现场施工进度，后决定优化后上部结构仍采用剪力墙结构体系，在原结构方案的基础上对剪力墙墙肢布置和尺寸进行了调整，且在不影响建筑使用的前提下，将个别短肢剪力墙改为钢筋混凝土矩形柱。
地下车库原设计为钢筋混凝土框架结构，底板采用钢筋混凝土无梁板结构，顶板采用钢筋混凝土梁板式结构。优化设计时，对平面布置不作调整，对地下车库底板厚度和配筋、墙板配筋、顶板次梁布置和配筋进行优化。并对地下室顶板消防车活荷载取值进行优化，按消防车的轮压进行等效均布荷载的计算。地下室顶板原设计为横向布置次梁，经过优化分析比较，优化后改为纵向布置次梁。原设计地下室底板厚度5OOmm，优化后底板的厚度调整为400mm。经上述优化，扣除优化设计费用后，实际可节省造价约345万元。取得了较好的经济效益。
6 结语
6.1 土建结构工程建造成本在整个工程成本构成中占很大的比重，通过结构设计优化降低工程建设成本具有较大的经济价值。
6.2 推进结构优化设计需要政府、开发商和设计单位统一认识，从政策和经济上给予支持。
6.3 结构优化设计的三种形式，可根据项目具体情况选择应用。
6.4 进行结构优化设计可有效降低多层住宅开发项目土建成本，提高经济效益。
参考文献
[l]张炳华，侯起.土建结构优化设计，上海:同济大学出版社，1998.
工程结构优化设计基础范文4
关键词：建筑结构；优化设计；分析
中图分类号：TB482.2 文献标识码：A 文章编号：
引言
建筑结构优化设计，是实现建筑本体功能与建筑成本的关键。随着国家建设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。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。
1 建筑结构优化设计的基本理论
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，3 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）功能性
建筑是人类的基础物质生存环境，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。对功能性的满足也不再局限于传统的实用，而是增添了舒适性、美观性、协调性等多种新元素，满足人类对基础物质生存环境的更高要求。
（2）安全性
建筑作为人类生存的基础生存环境，与人类的生产、生活紧密相关，安全性成为建筑结构优化设计的必然考虑因素。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，其作为建筑不但没有任何实际意义，反而会给人类正常生产和生活带来致命的危害。因此，安全性是结构优化设计中的必然考虑因素。
（3）经济性
建筑结构优化设计的经济性是市场经济条件下对资源配置提出的新要求。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。另外，各种材料资源都存在一定的稀缺特性，建筑结构的优化设计能科学合理的减少材料的使用量，节省建设材料使用成本。
（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。在建筑资源的材料选用方面，在保证建筑本体功能性、安全性的基础上，最大可能的选择节能环保型材料，同时，在结构优化的整体布局中，不仅强调建筑主体内部结构的统一与环保，也包括建筑建设过程中废旧材料的处理与应用，更不能忽略建筑未来使用过程中对环境产生的重要影响。另外，材料选用的环保、整体布局的环保也是结构优化设计过程中安全性的体现。
2 建筑结构优化设计的策略、安全与经济
2.1 结构优化设计中的材料选用
基于物理学与建筑学的基本原理，建筑结构各个点、线、面都呈现出一定的力学承载力特征，而力学承载力本身的载体就是材料，通过各种材料的配置，加强构件的强度、刚性与延展性，钢筋混凝土材料的打造适应了这一趋势。工程实践证明，钢筋混凝土的结构设计中，梁柱是主要的承受载体，打造钢筋混凝土梁柱能局部提高梁柱的抗压力。因此，在工程建设实践中，采用高标号的钢筋混凝土，可以减少梁柱等构件的横截面，减轻结构本体的重量，同时也扩大了使用空间；而梁板以受弯为特性，采用高强度钢筋，能科学合理的减少钢筋的使用量。另外，结构设计者应科学合理的匹配钢筋混凝土结构中钢筋与混凝土的投放比例，最大限度发挥钢筋混凝土复合材料的复合特殊性能，所以在高层建筑结构中，在结构的转换层、受力复杂的衔接点部位与大跨度结构上，采用型钢混凝土、预应力混凝土是比较好的选择，同时保证高层建筑功能性、安全性、经济性的最大化性能发挥。同时，在建筑结构设计与建设过程中，存在非常多的钢筋混凝土现浇板中混凝土标号过高的情况，一味追求高标号混凝土是没有任何意义的，高标号的混凝土无法理想发挥其强度性能, 反而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,板中钢筋的配筋量却相继增加, 直接导致钢筋的使用量增加，造成工程投资成本提高。
2.2 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,较好的延性和整体性,并且具备很强的抵抗地震力的能力, 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、采用型钢-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。
2.3 结构优化设计中的整体布局
为实现这些目标，建筑结构决策者与设计者须从结构优化设计的全局观念出发，利用结构设计中的点、线、面，确定建筑结构设计的总体布局，处理好点、线、面之间的架构关系，借助于材料的选用、构件的布置，充分发挥单个构件与整体结构的配合与协调，使之能实现最佳受力状况，既实现整体结构良好的承重力、刚性与延展性，也实现单个构件的最大化与最佳化利用，保证达到建筑设计的国家质量标准，实现建筑功能性、安全性与经济性的多重目标。
工程结构优化设计基础范文5
【关键词】建筑结构；房屋结构；成本优化；设计规划
随着人们生活品质的不断提高，对建筑结构设计的要求也日渐高涨。建筑结构在设计优化时尚有不少问题需考虑，针对此，该文通过论述优化设计的要求，介绍一些建筑结构优化设计的改进思路和对策。
1房屋结构整体设计优化概述
房屋建具有很强的系统性，各种结构的优化设计也往往需要涉及多方面内容，从宏观的角度来看，对于房屋建筑结构的设计优化可以大致分为整体结构和局部结构两种，其中，整体结构设计主要包括以下内容：（1）对房屋建筑的基本结构进行优化；（2）对房屋建筑的顶部结构进行优化；（3）对房屋建筑总体维护、细节架构等系列问题进行优化；
在明确房屋建筑结构设计的优化的目的基础上，工作人员应充分利用有限的空间资源，有效控制资金损耗，加强提高建筑材料和器械的使用效率，让房屋建筑更加安全可靠。根据以往的统计数据，通过房屋建筑设计优化之后，工程损耗可以降低5%～30%左右，因此，在房屋结构设计当中，对建筑结构设计的优化无疑具有非常显著的社会与经济效益，只有采取积极主动的优化态度，才能让房屋建筑可以更加的经济、实用，使现有资源的使用效益实现最大化转变。
2 住宅建筑结构设计优化的作用
建筑结构设计过程中，首先需要解决的问题就是建筑结构如何满足效益的长远化，在这个问题得到有效解决的基础上，再对建筑结构设计的合理性与经济性做到尽可能的优化。与传统建筑结构设计理念相比，当前所采用的建筑结构设计方法在建筑结构设计中的有效应用，能够有效降低工程成本，一般能达到10%到35%的效果。其次建筑结构设计优化方法的应用，还能够做到对建筑材料有效性与利用率的最大程度发挥，能够让建筑物的各个空间与整体能够达到相互协调的效果，并能够满足质量安全管理规定的要求。另外，建筑结构设计优化方案的应用，还能够对建筑物的原先设计起到完善的作用。所以，建筑结构优化方法对建筑结构设计起到重要的作用。
4 住宅建筑结构设计优化的方法
住宅建筑结构设计优化是要通过对拟建住宅进行模型的优化、计算方法的优化、并在计算和模拟的基础上制定有效的结构方案，再进行验证。
1. 结构优化模型的建立
在进行结构优化设计的过程中首要的问题是要根据实际的结构特性设定成为相关的结构设计参数，主要的有目标控制参数和约束控制参数。对于那些变化范围比较小的，且在结构的局部加强就能满足要求的部分参数，将其确定为预设参数，从而减少计算的工作量；对于目标函数，是要找到一组可以满足预定条件的钢筋截面积和截面的几何尺寸，目标是要让总造价最小。对于约束控制函数，包括前度和稳定约束、截面尺寸约束、结构整体约束、构建单元约束、正常使用状态的上下限约束条件等。参数的设计必须要与实际情况和规范相符。
2. 结构优化设计的计算方法
在结构优化设计计算方案的确定上，考虑到建筑结构的复杂性带来的变量多、约束条件多且非线性，因此在计算过程中，一般的做法是先将有约束的优化问题转化为无约束条件再进行求解，可选用的计算方有拉式乘子法、复合形法等。结构选型、尺寸和参数设计完成后，在计算方案的基础上设计优化程序。并在得到计算结果后，对结构进行综合分析，最后确定最合理的结构优化设计方案。
5 住宅建筑结构设计优化的应用分析
建筑结构的优化设计要在保证建筑使用功能的条件下，利用结构优化设计技术达到提高结构安全度、降低工程造价、提高经济性的效果，也就是要贯穿建筑的整体设计、前期规划及抗震设计等阶段。
1. 结构优化设计的前期参与
建筑是相对长期的投资，常见的建筑使用年限均在 50～100 年间，这就要求结构能够保证在设计使用年限内，建筑能够保持基本的使用功能、良好的空间环境。因此，要在建筑方案设计初期就加入结构优化的考虑。这样可以有效避免出现结构不合理、工程造价高等问题。也就是说，在建筑方案的设计初期就加入结构的优化设计，是提高建筑利用率的有效方法。
2. 结构的概念优化设计
一幢建筑的完成，可以有不同的结构设计方案；另外，对于同一种结构布置方案，采用不同的结构荷载、材料和分析方法，参数的取值也是有较大区别的。这些是通过计算机无法实现的，需要结构设计人员作出合理的选择，根据工程实践经验来进行参数的确定。通过概念优化设计，可以预算建筑结构在各种外力荷载的作用下的内力分布，以及将所有不利的荷载集中加载时可能出现的破坏形式等，如建筑结构在地震荷载作用下的破坏情况等，得到预算结果后，就可以作为结构设计的有利参考资料，采取有效的结构方案，选用有利的建筑材料和构造形式，从而降低刚度不均匀、结构的不对称等对抗震不利的结构设计。因此，结构的概念优化设计在自然灾害发生时，显得尤为的重要。
6 住宅建筑结构优化技术的应用需注意的问题
6.1 房屋建筑机构优化技术的应用需注意到前期的参与
房屋建筑前期的设计方案直接影响建筑项目的成本，但是很多前期方案确定中却不包括结构优化设计技术，以致相关的设计人员在进行房屋建筑结构设计时，常常忽略建筑结构的和理性和可行性，这样不但增加了机构设计的难度，而且使房屋建筑结构的设计成本也相应增加。因此，设计人员在前期设计时要充分的融入优化设计方案，节约建筑成本。
6.2 设计人员要注重细部优化
设计人员在注重整体设计的同时，还要加强对结构基本构建的精细设计。如尽量划分矩形板块的现浇板设计，增加现浇板的受力程度和避免出现拐角裂缝。随着计算机技术和优化设计理论的相互结合，优化设计已经从工程实践问题逐渐向数学问题过渡，因此，工程设计人员还要加强自身基于计算机技术的优化设计分析，使自身的设计更为合理和科学。
7 结语
结构优化设计是一个全面、综合的课题，需要周密的部署并且严格的实施结构优化设计的首要任务是在实现建筑工程的基础上，保证建筑的舒适度好的结构设计能够给企业带来可观的经济效益，而结构安全更是生命恢关的大事我国规范明确规定，在进行结构设计时要避免薄弱环节，确保结构设计中计算出的理论值与实际相符合，并确保建筑材料的安全可靠结构优化设计过程非常复杂，因此要选取最优的方案根据具体的工程结合设计经验对工程进行合理的分析，确保工程的安全和经济效益结构优化设计能够加快设计进度，节省工程造价，全面提高工程的质量与安全因此，必须加强人们对于建筑结构优化设计的重视不断提高建
筑的使用价值，最大限度的增加结构优化设计的时效性。
参考文献
[1]孙大伟，陶志军.浅析建筑结构中的优化设计与应用[J].科技创新与应用，2012（23）.
[2]鄢皓，李卫华.试谈结构设计优化技术在房屋结构设计[J].佳木斯教育学院学报，2012（4）.
工程结构优化设计基础范文6
关键词:结构设计；建筑结构；优化技术
Abstract: The architectural design department and design staff should strictly abide by "economic, apply reasonable" design principles, carefully designed, the applied the modern means of science and technology, choose reasonable building structure design to achieve the purpose to reduce the cost of the construction works and to achieve maximum economic benefits. Key words: structural design; building structure; optimization techniques
中图分类号：TU20文献标识码： A 文章编号：2095-2104（2012）04-0020-02
1、结构设计优化方法 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，而建筑设计优化设计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。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的目标进行结构优化设计。进行结构设计时，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。 1.1. 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：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。 1.2. 结构优化计算方案。结构设计优化设计多个变量、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。
2. 建筑结构设计优化方法的应用及实践价值 2..1 结构设计优化方法的应用。结构设计优化方法和技术的应用具体体现在房屋工程结构总体的优化设计和房屋工程分部结构的优化设计两方面。其中房屋工程分部结构的优化设计包括: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含选型、布置、受力分析、造价分析等内容,并应在满足设计规范和使用要求的前提下,结合具体工程的实际情况,围绕其综合经济效益的目标进行结构优化设计。 2..2 结构设计优化方法的实践价值。在满足建筑结构长远效益的前提下,应尽量减少建筑结构的近期投资并提高建筑结构的可靠度和合理性。与传统设计相比,采用设计优化技术可以使建筑工程造价降低5%～30%。优化技术的实现,可以最合理的利用材料的性能,使建筑结构内部各单元得到最好的协调,并具有建筑规范所规定的安全度。同时,它还可为建筑整体性方案设计进行合理的决策,优化技术是实现建筑设计的“适用、安全和经济”目标的有效途径。 3. 民用建筑结构设计与经济性的关系 3.1 结构设计与用地的关系。多层或高层住宅建筑中,总建筑面积是各层建筑面积的总和,层数越多,单位建筑面积所分摊的房屋占地面积就越少。但随着建筑层数的增加,房屋的总高度也增加,房屋之间的间距也必须增大。因此,用地的节约量并不随建筑层数的增加而按同一比例递增。 3.2 结构设计与造价的关系。建筑层数对单位建筑面积造价有直接影响,但影响程度对各分部结构却是不同的。屋盖部分,不管层数多少,都共用一个屋盖,并不因层数增加而使屋盖的投资增加。因此,屋盖部分的单位面积造价随层数增加而明显下降。基础部分,各层共用基础,随着层数增加,基础结构的荷载加大,必须加大基础的承载力,虽然基础部分的单位面积造价随层数增加而有所降低,但不如屋盖那样显著。承重结构,如墙、柱、梁等,随层数增加而要增强承载能力和抗震能力,这些分部结构的单位建筑造价将有所提高。 3.3 高层住宅结构设计与经济性的关系。住宅的层高直接影响住宅的造价,因为层高增加,墙体面积和柱体积增加,并增加结构的自重,会增加基础和柱的承载力,并使水卫和电气的管线加长。降低层高,可节省材料、节约能源,有利于抗震,节省造价。同时,除降低层高可以减少住宅建筑总高度,缩小建筑之间的日照距离,所以降低层高能也取得节约用地的效果。在相同建筑面积时,住宅建筑平面形状不同,住宅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,并且受力性能好,造价会降低。
4、结构设计优化的现实意义 4.1 结构优化设计降低总造价。 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。另如屋盖部分，一栋楼只有一个屋盖，并不会因为层数的增加而有所改变，它的成本下降会比较明显。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。 4.2 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，有利用抗震，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。
