工程结构优化设计基础范文

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中图分类号：TU318 文献标识码：A

对于一个项目，工程结构总体的优化设计主要是针对围护结构、屋盖系统、结构体系、基础形式以及结构细部等进行相应的设计方案的优化设计。在设计的时候还必须考虑到相应的布置、选型、造价以及受力等方面的问题，然后根据工程的实际情况并结合建筑物的经济性要求，对建筑结构进行相应的优化设计。 为了适应时展的要求，建筑的结构形式必须不断的进行创新。对于结构设计师来说，要在确保建筑结构具有一定的安全保证的基础上设计更合理、更经济、更能体现创新的结构形式。

1 结构设计优化技术的现实意义

对建筑结构的设计进行必要的优化，在对于房屋结构相关的设计中的应用意义重大，不仅能够满足了建筑的实用与美观，而且还可以有效地对工程造价进行控制。对于建筑商来说，其当然希望用最少的投资，而获得最大的收益，然而又必须对建筑结构的科学性、可靠性以及安全性做出保证，这必然要求对建筑结构进行优化设计。

结构设计优化和传统房屋结构设计进行比较我们可以发现：运用设计优化的技术能够降低整个建筑工程造价10%～40％。结构设计优化技术能够使得建筑结构内部的每个单元都得到最佳的协调，并可以对材料的性能进行最合理的利用。这样不仅能够保证相关规定的安全系数，还能够实现建筑结构设计的经济性与实用性。

2 结构设计优化技术在建筑结构设计中的步骤

2.1 建立结构优化的模型

在我们对房屋结构整体进行必要的优化设计时候，可以分成三步进行建筑结构的优化设计。下面将对每一步骤进行详细的介绍：

2.1.1 要对设计变量进行合理的选择

通常在对设计变量进行选择时，我们把对建筑结构影响的主要参数作为设计变量。如目标控制的相关参数（损失的期望C2 和结构的造价C1）和约束控制相关参数（结构的可靠度PS）等；然而还有一些影响不是太大，其变化范围也不是很大或者由局部性以及结构的相关要求就能够满足相应的设计要求的一些参数，我们可以用预定参数来表示，这样能够使得我们的设计量、计算量以及编制程序的工作量均大大减小。

2.1.2 对目标函数进行确定

在进行结构设计优化的时候，我们还必须寻找一组能够满足相关的预定条件的截面相应的几何尺寸、钢筋面积以及相应的失效概率的函数，使得工程造价最少。 针对目标函数进行的优化设计都有条件和相对的，即为“最满意解”而不是最优解。

2.1.3 对约束条件进行确定

对于房屋的结构的设计优化来说，必须在确保结构整体可靠的基础上，对优化设计相关的约束条件进行相应的确定，设计优化的约束条件主要包括裂缝宽度约束、结构强度约束、尺寸约束、构件单元约束、应力约束、结构体系约束、从可靠指标约束到确定性约束条件以及从正常使用极限状态下的弹性约束到最终极限状态的弹塑性约束等约束条件。在进行结构设计的时候，我们必须对目标约束条件与实际的约束条件进行相应的比较与分析，确保每个约束条件都必须满足相应的要求，化繁为简，抓大放小，以实现最佳的设计。

2.2 对优化设计的计算方案进行设定

根据可靠度进行的房屋结构的优化设计具有多约束且非线性的优化问题以及复杂的多变量，在进行相应的分析计算中，一般把有约束的优化问题转换成无约束优化问题的求解。常用的优化设计的计算方法有拉格朗日乘子法、复合形法、准则法以及Powell（鲍威尔） 法等基于不同理论准侧的计算方法。

2.3 进行程序的相关设计

针对具体的工程设计，我们可以根据不同的设计要求选择有限元分析软件或者设计配筋软件，可以选择针对具体构件进行有限元分析或者是针对整体结构实际工程计算分析。针对复杂的超高超限的工程可以进行专门的不同目标函数的优化设计，具体可选用结构优化设计系统MCADS。

2.3 结果分析

我们必须对相应的计算结果进行必要的分析比较，选择出最佳的设计方案。在这个过程中，我们对出现的问题必须全方位、多角度的考虑。例如，钢结构满应力设计中病态杆的出现等。这一步骤在建筑结构设计优化中尤其重要，合理的选择设计方案，不仅能够确保结构的美观、安全性、合理性以及实用性，还能够对施工中的资金的投入有着重大的影响。在结构设计优化中只强调经济性要求，而忽略技术要求，是不正确的；同样只考虑技术要求，忽略经济性要求，也是不合理的。我们必须在满足现行规范的前提下，区分“应”和“宜”，对两者进行合理的配置，才能达到相关要求。

3 结构设计优化技术的实践应用

当下，限额设计已经成为常态，建设商经常附加各种各样的设计条件，对于这样的项目我们可以从前期设计、整体设计、旧房改造以及抗震设计等方面采用结构设计优化设计的方法来节约造价。下面对实践应用中的问题进行简单的说明：

3.1 结构设计优化应注意前期参与

前期方案直接会影响到工程的造价，然而很多建筑物的设计往往忽略了这一点。项目立项后，结构师应该及时跟进，对建筑方案提出合理的指导意见，避免出现超限、超规范的情况，前期参与能够让我选择合理的结构形式以及合理的设计方案，节约造价占50%以上。

3.2 概念设计结合细部结构设计优化

在没有具体数值量化的情况下，我们可以使用概念设计。例如，对地震的烈度进行设防时，由于它存在这不确定的因素，所以我们无法找到与实际相符合的计算式，所以在进行设计优化的时候我们可以使用概念设计的方法，把相应的数值作为参考与辅助相关的依据。同时在设计过程中，相关结构设计人员必须合理并灵活的使用结构设计优化的方法，从而达到最佳的效果。

在设计过程中必须对细部的结构进行相应的设计优化，物尽其材。例如，竖向柱构件采用高强度混凝土能够有效减少柱子截面，而对于水平构件来说就可以降低混凝土标号，这样既可以达到受力要求，又可以节约成本。后期的优化设计和细部结构精细化设计能节约一定的经济成本。此阶段通过优化设计能节约造价10%以上。

3.3 下部地基基础结构的设计优化

基础的设计尤为重要，基础造价能占到结构成本的30%左右，在地基基础的结构设计优化中，我们必须选取合适的基础方案，确定合理的持力层，尽量选择天然地基，桩基能不用则不用，可以有效降低成本、节约工期。如果不可避免的采用桩基，需根据桩端持力层的厚度选择合理的桩长，并根据土层情况确定是否采用后压浆灌注桩；而对于管桩，同样直径可以考虑选用方桩，能够提高20%的摩擦力。通过对多种设计方案进行必要的分析比较，然后选取最佳的设计方案。

4 结语

对于住宅建筑，目前限额设计已经成为常态，传统的结构设计理论与方法已经无法满足建设商的要求，在目前的设计中采用优化设计已经成为无法回避的问题。通过选择合理的结构体系以及基础方案，充分利用材料强度，降低自重，活学活用规范做到精细化设计能够节约可观的工程造价，适应建设绿色可持续发展社会的要求。

参考文献

[1]张炳华.土建结构优化设计[M].上海：同济大学出版社，2008：34-36.

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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。

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中图分类号：TU3文献标识码： A

随着现代城市进程的不断加快，城市建筑的功能化和多元化要求也越来越高，人们在追求建筑安全和质量可靠的基础上，更加开始注重建筑的舒适度、环保性等。轻质高新材料和新的设计理论的快速发展，和现代信息技术的不断应用，为建筑结构的改善提供了更强大的技术基础。建筑结构的优化设计，在现代提倡的可持续发展和节能环保大环境背景下会越来越有必要。因此，加强有关建筑结构优化设计的探讨，对于提高建筑结构的良好性能和建筑的整体质量具有非常重要的理论和现实意义。

1、建筑结构优化设计及其原则

1.1 建筑结构优化设计。

建筑结构优化设计是指在符合各种特定要求和某些规范条件下，能够使结构的刚度、造价、重量等目标达到最优的设计方法。优化设计就是在可用的设计方案和措施中选择最为有效和高质的方法。

结构优化设计的过程一般是条件-分析-搜索-最优设计，其始终综合性的结构分析过程。搜索是指对结构设计方案进行修改和优化的过程，它首先会分析设计方案能否符合各种目标条件，如果不能，则对其进行规则性的修改，从而逐渐接近预期目标。结构优化设计的实质目的就是在所有的可选设计方案和措施中选择造价最低、材料最省、最接近预期目标的方案，这样结构设计实际就是在“比较和分析”基础上逐步演变成“优选和综合”过程，这对于工程结构质量和经济效益的提高具有重要作用。

1.2 建筑结构优化设计的原则

1.2.1安全性。安全性是建筑结构设计中的首要考虑因素。建筑结构优化设计中，要在设计阶段、决策阶段综合考虑建筑的安全性，在保证建筑结构安全可靠的基础上开展的优化。

1.2.2 经济性。建筑结构优化设计的经济性原则是指能够在新的市场经济条件下完善资源配置，就是在建筑结构的优化设计过程中，能够对各类资源材料实现最高的利用率和最大程度的节约，从而最大化的节省成本。此外，对于部分稀缺材料的应用，在建筑结构优化设计中要尽可能减少材料使用量，减少建材使用成本。

1.2.3 功能性。建筑的主要作用就是为人类提供重要的生存环境，因此建筑结构优化设计的最终目标也是尽最大可能满足人们的各种建筑需求。现代结构设计中除了要加强传统的使用功能，还要不断提高建筑的协调性、智能化、美观性和舒适性等，以此不断使最大限度的发挥建筑的功能性需求。

1.2.4环保性。环保性原则是现代建筑设计中必须重视的一条重要原则。建筑结构优化设计应当通过整体布局环保、建筑材料环保等多方面来实现建筑的可持续发展。在建筑的整体布局中，要在加强建筑结构主体环保的基础上，不断改善建筑过程中废旧材料的利用率和提高建筑未来使用中对环境的适应。在选择建筑材料时，应当在确保建筑安全性和功能性的基础上，加强对环保型材料的选取。

2、建筑结构优化设计的具体措施

2.1结构基础形式的优化。由于基础费用占项目土建总造价比例较大，且其安全度通常需高于上部结构，因此基础优化从两方面阐述：（1）重视对地质报告的研究分析，了解各种地基的变形特性，结合上部结构的不同条件，通过整体的分析计算，选择适宜的基础方案；（2）重视概念设计，根据基本理论知识以及丰富的实践经验，分析、预见可能出现的各种问题，找最合理的处理方案。

2.2结构上部形式的优化。建筑类型和功能要求的不同决定了建筑结构形式的不同，这里主要从三方面阐述：（1）平面布置在基本满足建筑师设计意图的基础上,平应尽量规则、均匀、对称，尽量缩小质量中心和刚度中心的差异；（2）竖向刚度在满足建筑功能要求的前提下，宜渐变，避免突变；（3）传力路径力求简洁清晰，以最直接的方式将楼面上的荷载传递到主梁上，再由柱,剪力墙等传递到基础、地基。

2.3 多程序计算的比较。不同程序不同的程序，由于技术模型和计算假定的不同，计算结果会有不同。应在设计中仔细的分析和比较多个程序的计算结果。不是简单的应用程序的计算结果，而是分析、比较、判断，进而对计算结果进行合理的调整和取用。这不仅需要结构工程师做大量计算工作，更重要的是运用以往工程经验对计算结果做出合理有效的判断。计算和分析清晰了，就可以作到心中有数，配筋的时候做到有的放矢，控制关键部位的配筋，减小不必要的配筋，不靠盲目加大配筋保证安全，而是靠计算的精准保证结构的安全并实现采用较小的用钢量的目标，从而达到优化成本目的。

2.4 构件截面和配筋优化。配筋时要注意计算结果的合理取用，遵循“强柱弱梁，强剪弱弯，强节点，强锚固”等重要抗震概念。在满足计算的情况下禁止随意放大钢筋，所选钢筋既要综合考虑构件在强度、挠度、裂缝等方面的要求，也要兼顾施工上的方便和可操作性。

2.5 构造措施的优化。在通用的钢筋混凝土结构中，应当尽可能选用高质量和高标号的混凝土，并利用高强度钢筋，以在提高结构强度的基础上减少钢筋用量，减小构件截面，降低自重，减小地震力，节省成本；采用轻质、节能、环保的内隔墙材料，可以降低自重，减小地震力，从而减少整个结构的钢筋和混凝土用量。在大高层建筑中，应当尽量选用预应力混凝土和型钢混凝土作为大跨度结构、受力衔接点和结构转换层的基本材料，以最大限度提高建筑的安全性和功能性。另外，要加强对抗震性、抗土性、抗水性材料的选择，以减少突发性洪水、地震等自然灾害的危害。

3、结论

建筑结构的优化设计，是满足建筑的多元化和多功能性要求的重要手段。因此，结构设计人员应当在坚持安全性、经济性、功能性、环保性原则的基础上，不断拓展建筑结构优化措施和技术，提高结构优化技术的应用水平和能力，以有效提升建筑结构的整体性能和质量。

参考文献：

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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，尽量缩小质量中心和刚度中心的差异；使建筑物在水平荷载作用下不致产生太大的扭转效应。竖向布置上，在满足功能要求的前提下，尽量使竖向承重构件上下贯通；能不使用转换层的就应避免使用，以减小结构分析和设计上的困难，另外也不经济，还容易造成应力集中；竖向刚度最好不要突变，而要渐变，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。

一、结构优化设计的模型和方案

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.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。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.结构优化设计方案

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。

二、结构设计优化技术在应用中的几个问题

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。结构设计优化设计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。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.前期参与

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.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，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.地基基础结构设计

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。

三、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

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。

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，不仅可以实现建筑美观、实用，而且在造价方面也有较大的节省，达到了建筑工程设计对适用、安全、经济、美观和便于施工的一般要求。通过使用优化设计手段，达到这5个方面的最佳结合，符合现今建筑商对于建筑结构的效益的需求，也符合市场可持续发展的需求。

结束语

建筑结构的造价在建筑工程中占有较大的比例，结构设计优化技术的应用可以产生可观的经济效益。建筑设计部门和设计人员应严格遵守“经济、适用、合理”的设计原则，精心设计，应用现代化科技手段，选择合理的建筑结构设计方案，实现降低建筑工程造价并取得最大经济效益的目的。

参考文献

[1]张炳华.土建结构优化设计[M].上海:同济大学出版社,2008:34-36.

[2]汪树玉.结构优化设计的现状与进展[J].基建优化,2007:12-13.

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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。

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1工业建筑结构优化设计的探讨

1.1工业建筑优化设计的目的。目前，在工业建筑优化设计的过程之中，依据各类建筑，其优化需求目标基本上可以分成两类：（1）传统概念之上的建筑结构设计与优化，其主要就是针对成本结构来进行优化设计，在最大限度之上来充分的保障设计的质量以及结构设计的科学合理性，最终于现代社会低碳环保的各项要求相符。（2）主要就是利用建筑结构的设计优化来满足企业工业生产的各项目标，达到建筑整体而结构的布局及设备置放的部位、分析与处理施工流程之中的各项数据，来最大程度之上加大工业生产作业的效率，提升企业的市场竞争力。

1.2工业建筑结构设计优化中的常见问题。在目前建筑结构设计优化设计的施工经验之中来进行分析，一般问题都是出现在优化之中。现如今，应用钢结构的范围逐渐的加大，这对于概念性设计与空间美学产生了较大的影响。此外，大部分工业建筑结构设计优化之中，设计人员对于整个结构规划布局缺乏一个全面化的认识，最终相应的也就引发了优化效果不显著情况的出现以及大部分企业对工业建筑结构设计优化不认可。

2工业建筑设计优化

2.1建筑结构优化的注意事项。现如今，在进行建筑结构设计的时候，我们国家大多建筑师基本上都不会参前期方案的设计，针对结构可行性与合理性来进行分析，在后期工程建设与方案设计相应的也就加大了难度，当然这也就需要增加对于工程的投入及应用。在工程结构设计前期就得要及时的引入结构优化的设计理念，这样一来不仅仅可以统筹兼顾来分析出工程优化设计的各项需求，而且还可以缩减企业资金的投入量，那么就可以在工程的初期进行合理的控制。

2.2建立完善的工业建筑结构优化体系。在工业建筑结构优化设计的过程之中，因为各个工业建筑结构的设计缺失统一的指导方案，那么就会使得建筑内部结构优化无法满足工业建筑结构的各项要求。所以在进行优化设计之前，首先要做的就是得完成的管理体系建立起来，利用管理体系以及工业建筑结构优化设计之中出现的各项问题来进行分析，并及时的制定出来行之有效的措施来解决，逐渐的工作的内容完善起来，最终在最大限度之上来充分的满足工业建筑结构优化设计质量管理的目的，加大工业建筑结构优化设计质量及其后期正式应用的使用效率。

2.3建立工业建筑结构设计优化模型。为了进一步科学、合理化的实现工业建筑结构优化设计的工作可以有条不紊的进行，在真是开展优化工作之前，要将结构优化设计模型建立起来，在众多变量参数之中选择出来其中的重要参数，逐步将函数模型建立起来，最终实现最佳的优化方案。

2.4吊车水平载荷。大部分工厂的生产均要利用吊车来进行输送体积偏大的获取，吊车荷载主要可以分为水平与竖直。SAP2000在结构分析之中可以将吊车的水平荷载利用等效静载负荷的方式来加到排架桩之上，另外竖直荷载主要就是利用移动式的静载负荷来进行施加的。

2.5电厂煤斗。煤斗是一种大型设备，其主要特征表现在：高度高以及体积大，并且有水平地震的重要性。针对支承构建而产生附加的扭矩以及弯矩，那么就得要利用相应的计算来进行补偿附加的内力。其主要步骤为：首先在设备的重心位置加设相应的支承结构，将附加的内力进行缩减；其次则是在与支承梁杆的轴心位置垂直的部位加设梁结构，使得支承梁的扭矩转变成为作用在梁上的弯矩；再者就是这个时候梁的抗弯能力十分的强，最终转移危险；最后则是支承结构抗扭配筋在不断的强化，楼板强度也随即加强。

2.6磨煤机隔振。对于火电厂而言，其发电过程之中始终无法离开煤炭，那么其中的关键工具就是磨煤机。振动的程度也会在很大程度之上影响到其他设备，特别是配电装置以及发电机组所处的控室。为了可以有效的避免这些问题的出现，那么弹性支承系统也因此而出现。（1）应用了弹簧振系统之后，磨煤机基础台座的重量约为一般基础快的二分之一。由于将之前的占地空间缩减，这对于工艺布置而言十分的有利。（2）应用了弹簧隔振系统之后，降低了磨煤机振动的频率，另外最为关键的就是有效的降低了磨煤机对于周边厂房及人员的影响。（3）因为磨煤机基础台座和锅炉厂房结构之间出现分离的现象，磨煤机基础施工的灵活性偏大。磨煤机基础施工的进行交叉是的施工，可以有效的缩减施工周期。（4）调平磨煤机，基础沉降可以通过弹性弹簧隔振器来进行相应的调整。（5）应用弹簧隔振系统之后，磨煤机自身受到荷载影响偏小，减小了磨煤机磨损的程度，使得磨煤机的运行可靠性进一步的提升。另外还可以有效的延长磨煤机的使用寿命，加大磨煤机大修的周期。（6）和一般基础相比之下，在应用弹簧隔振系统之后，磨煤机基础的振动具备可控制性，最为关键的就是传递到基础下荷载量减小了，所以可以适当的缩减地基基础处理的资金。综上所述，工业建筑结构设计是一项较为繁杂的工作，那么需要考虑各个方面的因素，从选择原材料到工程设计以及设计优化等等各个部分，依据工业建筑结构的特征来来具体的进行操作。逐渐的优化设计方案，在最大限度之上设计出来经济合理的方案。

篇7

1 结构优化设计对工程投资控制的影响

住宅工程开发项目的建设全过程可划分为决策、设计和施工三个阶段。工程项目投资控制的关键在于决策阶段和设计阶段。工程设计费用一般不超过建设工程总成本的1%，但在项目投资决策确定后，设计阶段对投资控制的影响程度却高达70%以上。

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过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

台州某小区工程总建筑面积11.4万平方米，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

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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

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中图分类号：TU318 文献标识码：A

建筑结构设计优化的理念应注重实际为主，根据工程项目建设的实际情况，进行建筑结构优化设计要以计划成本控制为中心，其内容就是对建筑方案、建筑结构含楼盖结构、基础结构以及围护系统结构等环节，建立起一种关于结构优化设计的模型，通过对各种不同的影响变量参数中的若干关键参数的科学的计算，确立最终的建筑工程结构设计的优化方案。

一、建筑结构设计优化的意义

1、节省工程造价。建筑工程造价中建筑结构的成本大约占到总造价的50%，对建筑结构进行优化设计可以在很大程度上降低工程总造价，节约工程造价成本。建筑结构优化设计能有效的节省房屋建筑的投资成本，具有巨大的经济价值。

2、提高工程质量。目前设计单位的水平整体都在不断提升，但是首先很多工程师成本控制意识低，忽略对建筑工程的成本造价控制，只追求高的安全系数，从而造成设计过于保守；其次，没有相应的责任制，设计人员缺乏责任心，对建筑结构的设计概念不清楚，一味的使用计算机而不是大脑来进行计算，常常导致计算不合理或者与工程实际不吻合等等错误，使之结构设计存在安全隐患或者较大的浪费；另外，设计人员与建设单位的沟通不到位，没有完全理解建设单位的建造用途及建筑功能，进而造成建筑产品不能满足建设单位的需要。据统计，因为在设计过程中，设计质量差，造成功能布置不合理，相关专业工程师没有相互沟通，导致经常出现在施工过程中进行修改及返工现象，导致施工工期不能控制。同时因为工程质量差，工程存在安全隐患等问题，造成投资的巨大浪费。通过建筑结构设计优化可以有效的提高工程设计质量，降低安全隐患，减少投资浪费。

3、建筑结构优化设计的社会意义。国家的宏观调控力度在不断的加大，原材料的价格在不断的上涨，从而在建设的前期挖掘潜力，节约建筑造成成本、科学的优化设计，有利于节约建筑的原材料、保护环境，符合国家“低碳、节能、环保”的理念，利国利民。

二、建筑结构设计优化技术应用

通过结构优化设计技术来逐步改善房屋建筑的使用性能，进而提高经济性，大力降低工程成本造价。在某个建设工程项目中，结构优化设计技术主要应用于项目的整体设计、前期设计以及抗震设计等各个分部阶段环节，应用广泛，其发挥的效能也十分明显。

1、树立精品意识。结构优化设计过程是结构工程师打造设计精品的过程，预算专业提前到设计方案阶段，为结构工程师提供必要的经济分析数据，通过结构工程师与造价工程师对设计质量、品质的经济指标的全程控制，实现设计产品质量与经济的统一。

2、优化设计中正确理解应用结构设计规范。追求适用、安全、经济、美观以及便于施工是建筑结构优化设计的目的。因此，建筑结构优化设计不但要求结构设计工程师有丰富的设计经验，也同时要对建筑结构规范的条文的概念、定义、前提条件及适用范围有较为详细的了解，在建筑结构设计规范的基础上，能够把自身的结构设计方案科学的融入到整个项目工程中。对于一些大面广的工程中，某些条文规定不可避免的偏于保守，同时，也有些条文对一些特殊、复杂工程的设计工程条文安全性不足。因此，建筑结构工程师在优化设计中，应该充分利用扎实专业知识与丰富的设计经验，对上述问题做出科学与正确的判断，从而能够把握设计，使设计成果逐步优化，不断创新。

3、结构工程师要积极参与工程前期规划及方案。建筑结构工程师要积极主动参与前期工程规划及建筑方案，是实施结构优化技术的重点内容。因为，在在实际施工中，建筑结构工程建筑师难以把握对结构体系的受力的正确分析，相关建筑结构工程师要积极主动地参与前期方案设计，帮助建筑师构思与逐步创新，使得建筑师的建筑理念得以完美的体现。

4、合理的结构方案。要用整体的概念在待定的建筑设计中来完成结构整体方案的构思，处理好构件与构件，构件与整体结构的关系，充分利用和发挥整体结构与构件的最佳受力状态，使结构具有足够的承载力、刚度及良好的延性，尽可能使结构受力与传力简单、直接、明确，使之整体结构安全可靠协调一致，使建筑的型心与重心重合，避免及减小外力作用下的扭转效应，结构平面规则对称与竖向刚度的均匀一致，才能达到结构设计的安全经济。

5、建筑结构各部门相互协调与合作。建筑结构优化是一个复杂性的系统工程，涉及到的专业也很广，各个专业必须相互协调与配合。依据建筑学发展角度出发，现代建筑是综合性产品，包括建筑、结构以及设备等要素。因此，建筑工程在工程实施中，应该大力加强分工与合作，将各个构成要素进行充分有机结合，为打造出完美的作品夯实基础。在建筑工程项目设计中，最重要的环节是建筑设计与结构设计，只有将这两个环节充分结合，建筑工程实用、经济、美观大方效果才能充分体现，同时，建造结构受力更趋向合理性，大大降低了成本，简化了施工。但在建筑设计中，一些许建筑设计人员不遵循建筑的基本力学规律，过于注重设计方案创作的新奇性，导致这建筑结构难于处理，因此，建筑结构优化必须通过强化各个专业的合作与协调，才能够实现结构合理，成本降低。

6、建筑结构抗震概念设计。概念设计就是利用设计概念并以其为主线贯穿全部设计过程的设计方法，整个设计中包含着设计者的感性和理性思维。概念设计通过使建筑结构在遭遇到水平地震力作用下不会破坏，或者将对结构的破坏影响降到最低。因此对建筑结构的设计就要采取措施减小地震带来的影响，减小地震产生影响的重要手段是需要结构刚度均匀和对称，结构主体有足够的延性，能够有效地防止结构在地震作用下发生脆性破坏。同时多道设防思想又能使次要的构件在地震情况下先被破坏，从而使一部分地震能量得到消耗，在抗震设防中进行多道防线设计，能有效的抵抗地震力作用。

7、提高材料的利用率。结构的效能设计主要考虑充分发挥结构材料的力学性能，有效的减少结构材料的消耗，达到“少费多用”的目的。各种高强材料（高强度钢筋、高强度混凝土等等）和各种轻型材料（如轻骨料混凝土、轻型隔墙、轻型墙板）的合理利用可以有效的减轻建筑结构的自重，减小水平地震力的作用，减小基础顶部荷载等等8、充分考虑地基基础结构设计。地基基础是建筑结构设计的重要组成部分之一，其造价根据工程所建地地基土的不同，基础形式不同，其基础造价也不同，但其造价占工程总造价的比例也不同，其比例占总造价的20~25%不等。地基基础属于隐蔽工程，建筑物的高度与安全性等受地基基础影响很大。建筑结构中的地基基础的结构设计必须选择合适的方案，要依据现场地质条件上部结构形式、高度、层数、基础顶部荷载，综合进行基础选型及埋深等设计，最大程度的节省造价。

结束语

要科学合理的对建筑结构进行优化设计，使其在建筑业的发展中发挥更好的作用，降低建筑成本。通过概念设计、正确的计算及合理的构造措施来保证，设计要在实践过程中不断的研究、探索和创新，使其经济性和适用性的目标得以实现。

参考文献

[1]彭 涛.住宅项目设计管理研究[J].重庆大学，2011（4）：80~82.

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中图分类号： S611 文献标识码： A

结构优化设计是通过合理的结构布置，科学的计算论证，采取一定的措施来达到合理节约工程造价的一种设计方法。文章主要以优化结构方案及其构造措施入手，结合某钢筋混凝土框架剪力墙结构优化工程，对钢筋混凝土框架-剪力墙结构优化设计相关要点进行了阐述。

1 优化结构方案

结构方案是结构设计的关键，在设计中贯彻国家的技术经济政策，采取正确的结构方案，是保证工程质量，提高工程效益的有力保障。

1) 结构工程师与建筑师商讨，共同确定最优建筑方案。首先在建筑工程的设计阶段，结构工程师凭借自身的专业知识，拥有的对结构体系功能及其受力、变形特性的整体概念和判断力，用概念设计的方法明确结构总体系同分体系之间的最佳受力特征分析，达到使建筑平面结构抗侧刚度中心、建筑平面形心、建筑物质量中心重合，可以有效减少建筑扭转的影响，此外建筑立面要尽可能避免刚度突变和结构不连续，体型要规则、均匀，建筑物总高度满足适用最大高度的规范要求。

2) 力使结构受力与传力途径简洁、明确，传力途径过于复杂会出现多次转换的结构构件，这不仅会增加造价，还容易引起计算错误而埋下安全隐患。而简单、直接的传力途径，可以减少中间传递的结构构件，减少结构的安全风险，结构受力明确，经济实惠。

3) 结构工程师在建筑设计中要尤其注意规范，规程中有关结构概念设计的各项规定，虽然正确的结构计算是设计的重要基础，但设计中不能仅仅依赖于计算，还必须非常重视概念设计。

2 合理的构造措施

构造措施作为计算假定的保证或作为计算中忽略某个因素或某项内容的补充，与结构计算相似。按构造要求设计时，一般只需满足规范的最低要求。如梁箍筋加密的问题，梁的一侧是框架柱，另一侧是梁及梁的一侧垂直搭在剪力墙上，而另一侧搭在梁上，这种梁仅仅是作为支撑楼板用的普通梁，不像框架梁那样耗能，因此不需要箍筋加密，应在位于梁下部或梁截面高度范围内的集中荷载区域设置附加横向钢筋，并优先设置附加箍筋，此外当次梁放在主梁上面及梁上起柱时，主梁不必设置附加横向钢筋。当剪力墙结构中存在部分短肢剪力墙时，只需对短肢剪力墙的抗震等级提高一级而不需提高整体的抗震等级，分布筋、拉结筋、架立筋等起辅助作用的钢筋等级为一级或二级。

3.建筑结构设计的施工方面

为满足结构承载力的需求,当在结构设计中柱与梁板选择不同强度等级的混凝土时，施工规范规定柱的施工缝宜留设在梁底标高以下20mm～30mm处,其原则是施工缝宜留在结构受力小且便于施工的位置。施工时,为方便柱身混凝土的下料与振捣,在梁内钢筋未绑扎之前进行浇注。按施工规范的要求,当梁柱的混凝土强度等级不同时,节点处应按“强柱弱梁”的原则。在实际施工中,施工班组制定合理的节点保证措施,监理人员加强对浇注质量的监管和提高整体结构的抗震性能十分重要。

4.建筑结构的基础设计方面

在建筑的基础设计中,要综合考虑建筑场地的地质情况以及水位、使用功能、上部结构类型、施工条件和相邻建筑的相互影响,以保证建筑物满足规范要求的沉降量或倾斜值等,。另外还要注意相邻地下建筑物及各类地下设施的位置,以保证施工的安全。

5 结构优化实例

某钢筋混凝土框架-剪力墙结构建筑由四层裙楼和A、B两栋高层建筑组成，A楼高74.2m，20层，B楼高88.3m，30层，地下两层为停车库和设备用房，房屋平面布置为不规则形状，总建筑面积约5.4万m2。

5.1设计优化的原则

通过大量计算和经验分析，在满足现行结构设计规范及规定的前提下，遵循保证结构的安全性及合理的刚度，对通过对可减小的结构构件进行有效的核减等措施来进行设计优化。

5.2结构优化设计

高层框架剪力墙结构体系中，重点是是水平荷载作用下，框架和剪力墙内力分配设计问题，其中剪力墙的数量及设计位置是关键。

5.3钢筋混凝土框架结构的优化设计

结构优化是一个渐进的寻优过程。首先对结构整体内力进行分析，然后根据梁柱各构件的控制内力进行截面的优化设计，计算出满足荷载效应要求的各结构构件的几何特征的配筋量的优化结果，在此基础上导致原结构的几何特征和荷载特征的变化，优化结构在现荷载作用下内力分布特征发生变化，各控制截面的控制内力也发生相应变化，根据这些变化进行下一步的优化设计。

5.4框架-剪力墙结构的优化设计

框架结构优化设计的原则究其根本就是结构优化的原则，利用一次完成的结构件，优化各个构件，可以节约投资并使结构受力更加合理。

5.5基础优化设计

(1) 依据地质勘查资料，分别设计主楼和裙楼的基础，主楼采用筏板基础，裙楼采用独立基础，基础底板要按照经验和计算结果设置。例如在地下室基础的设计工作中，初步设计中地下室基础计划全部采用筏板基础，经审核计算，为达到节约钢筋、混凝土的目的提出纯地下室基础部分采用独立基础加抗浮底板及抗浮锚杆的做法，这种方案可以有效保证结构的安全，施工简便。因此对纯地下室基础采用独立基础加抗浮锚杆、底板方式设计。

(2) 对地下室有防水要求的基础底板，裂缝宽度控制在0.2mm左右；地下室顶板及外墙，荷载取值要准确、可根据实际情况选用荷载。

(3) 作为塔楼的嵌固端，地下室的顶板不宜太薄，根据覆土薄厚情况，采用十字梁井字梁。

5.5楼板优化设计

根据楼板要预埋管道的要求，楼板较薄时施工容易造成裂缝，因此楼板设计时采用弹性假定而非塑性假定来计算楼板厚度及配筋的折减，最小配筋率取0.2和0.45ft/fy中较大值相同板厚时混凝土强度等级低、钢筋强度大时，最小配筋率低，故优先采用三级筋，板中抗裂钢筋最小配筋率为0.1%，不用或少用大跨厚板。

5.6优化设计效果

高层建筑的结构优化问题是一个非常复杂的工程难题，同时结构优化具有巨大的经济效益，因此研究和开发应用钢筋混凝土结构优化技术对节约工程投资具有重大意义。为验证设计优化的有效性，分析结构设计的初步方案，根据工程所在地的市场价格推算本工程的优化节约了钢筋65t，节约资金约32万元。

6.结语

文章从钢筋混凝土结构优化设计应用出发，总结出了钢筋混凝土框架-剪力墙结构建筑优化设计方法，符合当前建筑结构设计发展的需要，具有一定的现实应用意义。建筑结构的优化设计是一个科学系统的设计过程，针对每一项工程设计，应当根据其建筑特点，使结构各个构件受力均衡，同时要求技术应用合理、结构整体安全可靠，充分发挥每个构件的最大作用。只有这样才能实现建筑结构优化设计的最终目的，以便更好地服务于我国建筑业的发展。

参考文献

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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

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一、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。

二、建筑结构设计优化方法的应用及实践价值

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、结构设计优化方法的实践价值笔者认为，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。

三、民用建筑结构设计与经济性的关系

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。

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、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。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。

四、结构设计优化技术在建筑结构设计中的应用

1、直觉优化（概念设计优化）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：建筑物细部的处理更是不尽相同，这些问题是计算机无法完全解决的，都需要设计人员自己作出判断。而判断只能在结构设计的一般规律指导下，根据工程实践经验进行，这便是前面所说的概念设计。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。

2、概念设计处理的实际建筑设计问题

概念设计所要处理的问题多种多样。但可以肯定的是希望通过概念设计，建筑结构能在各种不期而遇的外部作用下不受破坏，或将破坏程度降至最低。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。

五、结语

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，尽量缩小质量中心和刚度中心的差异；使建筑物在水平荷载作用下不致产生太大的扭转效应。竖向布置上，在满足功能要求的前提下，尽量使竖向承重构件上下贯通；能不使用转换层的就应避免使用，以减小结构分析和设计上的困难，另外也不经济，还容易造成应力集中；竖向刚度最好不要突变，而要渐变，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。

参考文献

[1]张炳华.土建结构优化设计[M].上海：同济大学出版社，2008.

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