1、建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用 武振富 太原市建筑设计研究院 摘 要： 现代社会, 各种类型的建筑结构也由原来的实用变得更加追求艺术和美感的享受, 建筑实用性已经成为最基础的要求, 艺术美感成为衡量建筑的更高标准。因此, 如何设计出经济合理、可靠的结构方案, 是设计人员需要面对的首要问题, 本文分析了结构优化方法运用于房屋建筑结构设计中的现实意义, 并结合实例详细分析了房屋结构设计中建筑结构设计优化方法的运用, 期望优化技术能够更好的服务于房屋结构设计。关键词： 建筑结构; 优化设计; 现实意义; 作者简介：武振富 (1980-) , 男, 工程师, 本科, 主要从事建筑结构设计工
2、作。收稿日期：2017-9-8Received： 2017-9-81 引言目前, 业主对新建建筑提出了实用性、美观性、安全性等要求, 为了能在建筑市场中赢得一席之地, 企业有必要认真研究业主提出的要求, 从施工和设计上进行满足。在房屋建筑领域, 结构设计是是投入占比较高的部分, 持续抓好房屋结构设计并进行优化, 一方面可有效提高安全系数, 进一步树立企业品质形象, 另一方面有利于减少因设计规划不合理而投入的项目资金, 提高企业的经济效益。因此, 处于考虑市场环境、业主要求和企业经济效益等方面, 对建筑结构设计进行优化是是十分必要的。2 建筑结构设计优化现实意义房屋建筑结构设计优化即是结合建筑实
3、际, 以计划成本控制为中心, 利用建筑基础结构、屋盖系统结构及围护系统结构等方案, 建立起一种关于结构设计优化的模型, 通过对各种影响变量参数的科学技术, 来确定最优的房屋建筑结构设计方案。对于房屋结构设计来说, 建筑结构设计优化方法的运用主要体现出两点现实意义:(1) 房屋结构优化设计可以对施工材料的性能利用更加合理化, 确保建筑结构内部各不同单元件更加充分协调, 进而有效提高了房屋建筑的整体受力性能; (2) 有利于减少建筑工程总造价, 相关调查资料表明, 将建筑结构优化方法运用到房屋结构设计中, 能够减少约 25%的成本造价。3 房屋结构设计中建筑结构设计优化方法的应用3.1 建筑结构设
4、计中的应用(1) 合理选取设计参数。在选取设计参数的过程中, 使用优化技术能够实现快速找到目标点的目的, 这样同时达到了提高设计效率和节约工程造价的目的;(2) 在优化设计函数时, 设计人员需要对众多相似函数进行分析, 在此基础上获取目标函数;(3) 为了提高房屋建筑的稳定性、安全性, 有必要比较多项施工条件, 考虑各种最不利条件, 同时满足现行相关的技术规范, 确保优化设计目标的实现。3.2 钢结构设计中的应用由于房屋建筑使用的材料不通过, 其结构性能也存在一定差异。在钢结构设计中应有结构优化技术, 需要考虑到以下方面的问题:(1) 钢结构具有重量轻、强度高、延性好的特点;(2) 在钢结构设
5、计中可以选择何种优化技术;(3) 可以利用现代高速电子技术, 建立三维立体模型, 对多种材料强度下受力进行多次试算, 展开经济比较;通过模型分析, 判断优化技术在施工过程中的应用效果等。3.3 房屋地基基础设计中的应用在房屋地基基础优化设计中, 一方面要结合房屋建筑物的具体情况, 实施实地勘察工作 (包括地形地貌、水文条件等) , 结合勘察结果选择最优的基础形式;另一方面重视将建筑结构优化方法运用到概念设计和抗震设计中。概念设计的优化, 主要是有效结合计算机设计和人工设计工作;抗震设计优化, 主要是合理布置抗侧力构件, 比如框架柱、剪力墙的比例选择, 框架柱主要承受轴力和弯矩, 而剪力墙主要承
6、受轴力和剪力, 若经计算发现在某个方向抗侧力不够, 应考虑在这个方向增加布置剪力墙, 最终实现设计优化的目的。4 实例分析4.1 工程概况某商业大厦建筑层数:地下 1 层, 地上总体 12 层, 地上局部 13 层;建筑高87.6m。建筑功能:地下 1 层为地下车库, 局部为地下人防工程, 类别为二等人员掩蔽部;地上各层均为金饰商店;结构体系:钢筋混凝土框架-抗震墙结构, 楼盖体系为部分井字梁、部分普通梁板式。本项目重点研究结构平面布置优化这一部分内容。建筑整体模型如图 1 所示。图 1 建筑整体模型 下载原图4.2 结构平面布置优化4.2.1 原始方案(1) 刚重比:X 向刚重比为 3.01
7、;Y 向刚重比为 2.82;(2) 2#楼层的抗剪承载力及承载力比值:X 方向最小楼层抗剪承载力之比:0.80, Y 方向最小楼层抗剪承载力之比:0.91;(3) 剪重比:X 向最小剪重比为 2.67%, X 方向的有效质量系数为 99.32%;Y 方向最小剪重比为 2.8%, Y 方向的有效质量系数为 98.54%;(4) 位移角。楼层最大位移角发生在偶然偏心地震作用下, 所在楼层号为 5, 位移角为 1/994;(5) 位移比。扭转位移比信息:楼层最大扭转位移比在楼层号为 2, 位移比值为1.21;层间位移比信息:楼层最大扭转位移比发生在楼层号为 2, 位移比值为1.21;(6) 经济指标
8、:混凝土材料用量和钢筋用量分别如表 12 所示。表 1 原始方案混凝土用量 (m) 下载原表 表 2 钢筋用量 下载原表 4.2.2 优化方案(1) 刚重比:X 向刚重比为 3.68;Y 向刚重比为 3.04;(2) 剪重比:X 向最小剪重比为 2.97%, X 方向的有效质量系数为 99.79%;Y 方向最小剪重比为 2.84%, Y 方向的有效质量系数为 98.83%;(3) 位移角。X 向位移角为 1/1314;Y 向位移角为 1/1060;(4) 位移比。扭转位移比信息:楼层最大扭转位移比在楼层号为 2, 位移比值为1.13;层间位移比信息:楼层最大扭转位移比发生在楼层号为 2, 位移
9、比值为1.13;(5) 经济指标:混凝土材料用量和钢筋用量分别如表 34 所示。表 3 优化方案混凝土用量 (m) 下载原表 表 4 钢筋用量 下载原表 4.3 总结(1) 从刚重比、周期对比中可以发现, 优化方案的刚度要大于原始方案;在振型信息中, 第三振型才出现扭转, 且各振型间没有干扰, 优化方案的扭转刚度明显好于原始方案;同时优化方案使用了更少的材料;(2) 从效应上看, 优化方案的位移要小于原始方案, 并且扭转效应较小, 位移比仅仅为 1.13;(3) 从布置角度看, 优化方案的布置使结构性能明显得到提升。5 结语总而言之, 将优化技术应用到房屋建筑结构设计的过程中, 能够满足人们对
10、房屋建筑的质量要求, 提高房屋建筑的经济效益和社会效益。因此, 在今后的房屋建筑中有必要进一步深化建筑结构设计优化, 只有这样, 才能更好的满足人们对房屋建筑提出的要求, 进而促进房屋建筑工程的持久发展。参考文献1刘玲华, 罗峥, 王雯, 等.基于连续体拓扑优化的建筑结构设计方法初探J.结构工程师, 2014, 30 (2) :611. 2王曙光, 赵学斐, 苗启松, 等.加层隔震结构隔震支座参数优化及试验研究J.振动工程学报, 2013, 26 (5) :722731. 3于辉, 陈志鹏, 周芸, 等.一体化复合材料上层建筑结构设计优化J.中国造船, 2017, 58 (2) :3037.
