建筑设计评职论文浅析优化设计在结构设计中的应用

　　摘要：随着我国社会经济的不断发展，人们在追求物质享受的同时也将精神文明建设上升到一种标准与习惯 。人们在选择安全舒适的住宅环境的同时也将建筑整体的结构美、外观美放在一个很高的位置，这些都是优化设计在结构设计中应用反馈回来的良好反应。简单来说结构优化设计就是在基于建筑物舒适性、安全性、经济性美观性的前提下采用一定的优化设计方法在更深层次更为合理的一种建筑结构设计，是建筑物在结构安全、经济试用等方面的一个很好地体现，实现服务于人民的最终目的。

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　　一.房屋结构设计优化技术的现实价值和应用

　　1.1房屋结构设计优化技术的现实价值

　　设计人员在进行房屋结构设计时，首先要考虑的就是要满足房屋结构效益的长远化，在这个前提下，要最大限度的减少投资商的投资成本同时保证结构上的科学合理。与传统的房屋结构设计理念相比，现代房屋结构设计优化技术应用之后，能够有效的降低工程成本，大约可以维持在10%—35%之间。结构设计优化技术的运用，不仅能够将建材的利用率和性能发挥到最大值，同时也使房屋内部的各个空间之间的结构实现协调规划，并且符合我国相关的安全质量规定。此外，房屋结构设计优化技术的运用还能够对房屋的最初设计提供帮助，因此，优化技术对房屋整体设计的安全、合理、舒适起着重要的作用。

　　1.2房屋结构设计技术方案和理论的应用

　　房屋结构设计方案和理论在现实中的应用主要表现在两个方面，即房屋总体工程结构设计的优化和房屋各个组成部分的设计优化。在这其中，房屋各个组成部分的设计优化包括很多方面，如：相关细节结构部分的优化设计、相关基础结构方面的优化设计、房屋护围结构方面的优化设计和房屋屋顶方面的设计优化等，对于这些方面的设计优化还包含很多更加细化的设计，如布置、选型、造价、受力等方面的设计优化。相关的设计工作者应该在满足房屋建造的相关规定前提下，而后充分考虑造价方面的因素进行相关的结构设计优化。

　　二、房屋结构设计优化的经济性分析

　　2.1房屋结构设计占地方面的经济性

　　在当前，房屋的建造形式主要以高层和超高层为主，而房屋建造的总面积是由隔层面积之和而得，所以说，房屋的建造层数越多，相应的总的建筑面积就会越多，由此房屋的单位建筑面积需要占用的土地面积越小。与此同时，随着建筑层数的不断增加，房屋高度也会随之不断增加，而房屋与房屋之间的间距也会随之增加，由此可见，在房屋建造时，占地面积与房屋高度并不是按照一定比例进行增加的。

　　2.2房屋结构设计在造价方面的经济性

　　在进行房屋结构设计时，结构设计方法以及所使用的建材的不同可能使整个工程的造价产生巨大的变化，因此在进行结构设计时有必要对各种方面如结构类型的选择和建筑材料的选用等进行必要的经济性的考虑。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。考虑到住宅的使用功能和方便性,通常单体住宅建筑的平面形状多为矩形。根据相关的统计显示，采用科学合理的设计方案能够使整个工程的造价下降10%左右，甚至有的可以达到20%。房屋结构大多是由基础、柱、梁、楼板等组成，而这些部分所需的成本造价也存在很大的差异，不同的结构类型的工程造价是不同的。如在剪力墙结构中，在进行高层建筑抗震设计时短支剪力墙的抗震等级应比相应的剪力墙的抗震等级高一级，所以在平面设计上要尽量减少短支剪力墙的数量这样也会相应的减少构造钢筋的使用量从而减少工程造价。因此，在实际工程施工过程中，应该根据实际情况有针对性的进行结构类型选择。

　　2.3高层住宅结构设计的经济性

　　对于高层住宅而言，其层数直接与成本造价产生联系，随着层数的不断增加，建筑中，墙体面积、柱体面积等都会随之增加，建筑的整体自重、基础的承载能力、各种管线的长度同样也会增加。因此设计一个合适的层数，不仅可以使得建筑材料大大节约，而且有利于抗 震性能的提升，同时，一个合适的建筑物高度还能够使得相邻建筑物之间的距离缩短，节约建筑用地。

　　三、结构优化设计技术在房屋建筑中的应用

　　3.1结构设计优化应注意前期参与

　　房屋建设的投资计划在实际的过程中受很多因素的影响，影响最大的当属前期方案的确定，

　　前期方案的确定将直接影响整个建设项目的总投资成本，对目前而言在进行结构设计时存在问题最大的也是前期方案的确定问题。在进行房屋结构设计时具体的施工人员并不将优化设计使用在前期方案的设计之中，往往忽略考虑建筑物结构的和理性和可行性，这样设计出来的结构设计结果将会对整体结构造成很大影响，不仅增加了后期结构设计的困难度而且在项目总投资上增加了一定的成本，这些都是得不尝试的结果。如果我们在前期方案确定是就加入结构优化设计，那么我们就能从容的针对不同的建筑类别要求，优化选择合理的结构形式和设计方案，在避免上述情况发生的同时保证了工程的进度也减少了投资商的投资资本，这是一举两得的最佳选择。

　　3.2结构设计优化方法

　　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计量。对于房屋工程分部结构优化设计主要包括：基础结构方案的优化设计、屋盖系统方案的优化设计、结构细部设计的优化设计和维护结构方案的优化设计四个大的方面，同时还包括对结构设计中选型、空间布置、受力分析和造价等几个小的方面。在实际的优化设计中要一切从实际出发结合具体的工程实际情况满足设计图的整体规划要求，最大限度的使平面布置规则同时减少刚度和质量中心的差异，要着重注意减少应力集中的现象。在构建结构优化设计模型时要合理选择主要参数以创建函数模型，运用合理科学的结构优化计算方案和计算方法将有约束条件转换成无约束条件进行计算最后编制相应的运算程序以得出最终的优化结果。具体步骤如下：首先是对设计变量的合理选择，要选取对设计要求影响较大的参数，并将影响较小的参数作为预定参数，采用此方法将会达到减少计算编程的工作量的效果：其次其确定目标函数，是函数满足设计要求的最优解;最后进行约束条件的确定，这里的约束条件包括应力约束、结构强度约束、尺寸约束等，在保证个约束条件满足现行规范要求的同时采用优化设计合理进行优化是建筑物达到最完美的设计效果。

　　3.3概念设计优化技术

　　在现代建筑设计中越来越多的因素被考虑在之中，不同于传统的结构设计概念设计的理念的引入是一场思想的革新。用概念思想来进行建筑结构设计就是设计师在设计的方案阶段根据其自身的工作经验和专业的理论知识，在没有确定具体方案的情况下运用概念设计方法在脑海中进行整体结构的优化。概念设计主要针对设计工程中对于不同的建筑结构采用何种设计施工方法无法确定时，这时设计人员就要根据自身经验并考虑和遵循一般设计规律在不依靠计算机的情况下得到我们想要的最终结果。概念设计的引用较传统设计思想而言可以迅速的、有效的对结构体系进行构思、比较和选择，保证了工作的高效进行的同时也帮助了建筑师确定整体结构体系，使结构体系和受力分析以一种清晰明朗的形式显示出来，避免了后期设计的不必要的计算具有很高的安全可靠性。将概念设计得到的数据与计算机计算得到的数据进行比较可以大大的提高运算的准确性。在实际设计中概念设计还表现在对一些外力的不确定因素堤建筑物的影响，其中影响最大的就是地震对建筑物产生的影响，因此在设计中就要首先将防震思想考虑其中，要多道设防思想是建筑物在地震发生时次要构件先破坏以消耗部分地震能量，此外进行延性设计也能有效的防止结构发生脆性破坏，这些抗震设防思想在整个设计工程中都将作为概念设计的重要指导思想。概念设计是结构设计的灵魂和核心，它贯穿于设计工程师的知识水平和设计水平也统领结构设计的全部过程。运用结构概念设计从整体上把握结构的的各项性能，只有这样才能对计算分析结果进行更为科学、更为合理的采用，保证了工程师在设计之中的主导地位。

　　3.31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，计算式难免与现实之间有很大的差异，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。在做里面设计的时候，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。

　　3.4 ANSYS在优化设计中的应用

　　传统的结构设计先是凭借经验和判断做出结构的初始方案，包括空间总体布置、材料选择、结构尺寸和制造工艺等几个方面然后在进行结构分析，最后在力学的基础上校验其方案的可行性，必要时需要进行多次方案修改。在传统的结构设计中结构分析只是仅仅起到了校验可行性的校验功能。而利用ANSYS进行优化设计分析不仅只进行一次计算就可以完成结构的应力和寻优计算而且能够满足设计规定的约束条件实现目标最优。ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析已预提的大型通用有限元分析软件，自开发以来不断汲取新的计算技术和方法，在进行高级分析时将有限元分析与优化设计方法合理有效的结合在一起，从而构成了基于有限元分析技术的优化设计。作为工程设计人员而言并不需要具备完善的理论基础只需要掌握就工程所涉及的相关背景能够将工程实际问题转换成优化模型，这样就可以通过使用ANSYS软件完成工程的优化设计，ANSYS软件的应用不仅大大提高了优化设计的工作效率减少了设计过程中繁琐的编程操作而且也大大的提高了工程计算的准确性，保证了工程的整体质量。

　　3.41 ANSYS结构优化实例

　　根据上述优化过程的思路，使用ANSYS对常用的三杆桁架进行优化设计。三杆桁架结构模型如图2所示，桁架由三根杆组成，承受纵向和横向载荷作用。优化的目标是使桁架的重量最小，其中三根杆的横截面面积和基本尺寸B在指定范围内变化，每根杆的在最大应力不超过400MPa。已知条件如下：

　　(1)桁架的材料特性 弹性模量：E=2.06×105MPa，密度：ρ=7.5×10-3g/mm3，泊松比：ν=0.3，最大许用应力：σmax=400 MPa。

　　(2)几何条件 杆的横截面面积变化范围：10~10000mm2，基本尺寸B的变化范围：1000~10000mm。

　　(3)集中载荷 FX=5×105N，FY=5×105N。

　　优化设计模型是要在满足给定的工况条件下，追求三杆桁架机构重量的最小值。根据该问题的情况，选择三根杆的横截面积A1，A2，A3以及基本尺寸B为设计变量，目标函数为桁架的重量最小，约束条件为三根杆的内应力在许用应力范围之内以及几何条件。所以，可以根据式(1)将该问题用优化数学模型表示。 按照ANSYS的优化设计过程，采用一阶方法，共进行了10次迭代，得到了优化结果。从结果中可以看出，当A1=2091.5mm，A2=10000mm，A3=477.6mm，B=6062.8mm时，桁架的重量为0.2261t，在满足给定条件下三杆桁架结构的重量达到最小。图2给出了目标函数(重量)的变化规律，从图中也能直观地看到目标函数的整个优化过程以及最终的结果。

　　3.5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。

　　结语：结构优化设计技术在房屋建筑中的应用，随着我国社会经济的快速发展、生产技术水平和人们生活水平的的提高以及人们对于居用建筑功能要求的不断改变，优化结构设计目前已经得到了极大的推广与发展。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。结构优化设计工作同样是一项事无巨细的工作，只有在今后更多的实践中不断积累经验，发现问题和解决问题才能够在未来的房屋建筑工程结构设计竞争中占得先机。对于专业设计人员来说要把提高自身职业技能和设计质量作为终身奋斗的目标，为国家建设行业贡献自己的力量。

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