結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是指在給定約束條件下，根據(jù)重量最輕、成本最低、剛度最大等目標(biāo)找到最佳設(shè)計(jì)方案，曾稱為最佳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或最佳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，與結(jié)構(gòu)分析相比，也稱為結(jié)構(gòu)綜合；如果目標(biāo)是最小結(jié)構(gòu)重量，則稱為最小重量設(shè)計(jì)。目前，由于投資大、施工周期長，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效設(shè)計(jì)可以相應(yīng)減少投資金額。建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)建筑本體功能和建筑投資成本的關(guān)鍵手段。

現(xiàn)階段，隨著市場經(jīng)濟(jì)的不斷完善，建筑的經(jīng)濟(jì)性能越來越受到重視。因此，我們不懈追求用最少的材料或成本來建造符合規(guī)范和使用要求的建筑。但同時(shí)，如何保證建筑的安全性能？因此，體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能！結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅僅是為了減少混凝土和鋼筋的消耗，而是為了調(diào)整各部件剛度之間的比例關(guān)系，充分利用各部件的應(yīng)力特性，發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，使整體結(jié)構(gòu)達(dá)到最佳。

建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本原則是什么？

一、功能原則

建筑工程作為人類基本物質(zhì)的生活環(huán)境，優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)的最終目標(biāo)是滿足人類對(duì)物質(zhì)生活環(huán)境的最大需求，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果將在很大程度上決定工程建設(shè)的綜合效率。優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，除了滿足基本功能外，還需要從美觀、協(xié)調(diào)、舒適的角度進(jìn)行改進(jìn)，從更大的方面滿足用戶對(duì)項(xiàng)目的綜合要求。

2.安全原則

建筑作為人類生存的基本生活環(huán)境，與人類密切相關(guān)。因此，人們一直對(duì)其建設(shè)有很高的要求。在社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下，必須優(yōu)化傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念和方法。需要注意的是，除了滿足基本使用需求外，建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還需要滿足安全使用要求，即為正常生產(chǎn)和生活提供安全的生活環(huán)境，提高工程結(jié)構(gòu)建設(shè)的綜合要求。盲目追求建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，忽視決策階段、設(shè)計(jì)階段和施工階段的安全。作為一種建筑，它不僅沒有實(shí)際意義，而且會(huì)給人類的正常生產(chǎn)和生活帶來致命的危害。

3.環(huán)保原則

建筑工程建設(shè)需要大量的資源，在可持續(xù)發(fā)展理論下，除了確保功能要求外，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還應(yīng)優(yōu)化資源利用。即選擇環(huán)保施工材料，提高結(jié)構(gòu)整體布局的環(huán)保，最終實(shí)施可持續(xù)發(fā)展。在選擇施工資源材料時(shí)，應(yīng)確保能夠滿足結(jié)構(gòu)安全、功能和環(huán)保的綜合要求，在實(shí)現(xiàn)主體內(nèi)部結(jié)構(gòu)環(huán)保的基礎(chǔ)上，做好廢料的處理和應(yīng)用，提高工程結(jié)構(gòu)的綜合設(shè)計(jì)效果，減少對(duì)環(huán)境的影響[3]。

4.經(jīng)濟(jì)原則

經(jīng)濟(jì)是指通過建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，最大限度地節(jié)約各種材料資源，達(dá)到降低建筑成本的目的。在優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)從設(shè)計(jì)成本上進(jìn)行分析，控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成本，在滿足市場經(jīng)濟(jì)條件的基礎(chǔ)上改善各種資源的合理配置。綜合分析經(jīng)濟(jì)環(huán)保原則，選擇低能耗材料，最大限度地減少各種材料的使用，降低材料投入成本。此外，通過合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)內(nèi)部，提高空間利用效率，在有限的成本范圍內(nèi)獲得更有效的設(shè)計(jì)方案。

5.提高建筑舒適性的原則

一個(gè)好的建筑，應(yīng)該是從建筑、結(jié)構(gòu)、裝飾到給排水、暖通空調(diào)、空調(diào)、氣體、電氣安裝等專業(yè)的優(yōu)化設(shè)計(jì)組合，是整體優(yōu)化設(shè)計(jì)，如果只是專業(yè)設(shè)計(jì)好，就不能稱之為好建筑，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也不例外；建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)能夠最大限度地滿足建筑平面布局、內(nèi)部空間高度和建筑立面的使用功能和外觀感知要求，投入使用后，讓用戶在工作和生活中感到非常舒適，使建筑真正成為一個(gè)好的建筑，這是建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的起點(diǎn)和立足點(diǎn)。因此，建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)包括結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化、傳輸方式的科學(xué)性、構(gòu)件布局的合理性、構(gòu)件和材料選擇的正確性等。；建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)筑投入使用后的舒適性為建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要基本原則。

6.不同部件采用不同的安全系數(shù)原則

現(xiàn)澆鋼筋混凝土地板的約束作用可以大大提高建筑梁的承載能力，最高可以提高約1.5倍。然而，目前國內(nèi)的結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件并不能準(zhǔn)確反映現(xiàn)澆地板的約束作用。因此，如果根據(jù)機(jī)械計(jì)算結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其安全系數(shù)對(duì)現(xiàn)澆建筑梁要高得多。

另一方面，從事故原因的調(diào)查和分析可以看出，除非結(jié)構(gòu)計(jì)算本身錯(cuò)誤，否則由于建筑或建筑梁問題造成結(jié)構(gòu)損壞的工程實(shí)例很少；從許多地震調(diào)查的工程實(shí)例中也可以看出，地震力作用下建筑倒塌的主要原因主要是墻、柱等垂直構(gòu)件的首次損壞。

在實(shí)際的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，如果不考慮構(gòu)件的實(shí)際承載能力，對(duì)所有構(gòu)件采用相同的安全系數(shù)，建筑結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性將不合理。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，獨(dú)立構(gòu)件、靜態(tài)結(jié)構(gòu)和垂直構(gòu)件應(yīng)采用較大的安全系數(shù)，可適當(dāng)降低地板和蓋梁的安全系數(shù)，不僅可以降低工程成本，還可以提高結(jié)構(gòu)的綜合安全性。

二、建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的作用是什么？

1.降低總成本

在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，與高層住宅相比，多層住宅越多，總建筑面積越大，單位建筑面積占用的土地面積越小，節(jié)省土地成本，但隨著建筑層數(shù)的增加，建筑總高度也會(huì)增加，建筑與建筑之間的間距 也要增加，此時(shí)占用的土地節(jié)約量與建筑層數(shù)增加的比例不一樣。對(duì)于基礎(chǔ)部分，雖然也是每層共用，但層數(shù)增加，傳遞給基礎(chǔ)的荷載會(huì)增加。我們需要增加基礎(chǔ)，這樣單位面積的成本就會(huì)降低，但沒有屋頂那么明顯�！�

2.提高建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性

高層建筑的建設(shè)成本已成為必須考慮的一個(gè)重要因素，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)成本得到了嚴(yán)格的控制。設(shè)計(jì)人員在保證建筑質(zhì)量的基礎(chǔ)上，采用合理的計(jì)算模型、計(jì)算參數(shù)、設(shè)計(jì)負(fù)荷、結(jié)構(gòu)措施和合理的計(jì)算指標(biāo)是實(shí)現(xiàn)合理鋼含量的重要途徑，應(yīng)認(rèn)真結(jié)合規(guī)范和具體工程條件，根據(jù)規(guī)范和結(jié)構(gòu)概念合理使用計(jì)算結(jié)果，必要時(shí)采用手工計(jì)算審查。現(xiàn)在作者比較了高層建筑工程的結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果。

三、建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)注意哪些問題？

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用于新項(xiàng)目的早期設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)和舊房改造，各種效益都相當(dāng)可觀。在模型實(shí)踐和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的過程中，應(yīng)注意以下方面：

（1）早期設(shè)計(jì)參與。施工總投資直接受到早期方案的影響，因此存在的問題大多是早期方案階段不參與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。大多數(shù)建筑師在設(shè)計(jì)方案時(shí)不考慮結(jié)構(gòu)的可行性和合理性，但建筑設(shè)計(jì)的最終結(jié)果直接影響結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有些方案可能會(huì)增加結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度，增加建筑總投資。如果能夠參與方案初期的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，就可以根據(jù)不同的建筑類別選擇合理的結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計(jì)方案，取得良好的開端。

（2）基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)�；�礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化首先是選擇最合適的方案。如果是樁基礎(chǔ)，必須根據(jù)施工現(xiàn)場的具體情況選擇樁基礎(chǔ)類型，節(jié)約成本，減少不必要的浪費(fèi)。對(duì)灌注樁的選擇影響較大的是樁端的支撐層，應(yīng)進(jìn)行更多的比較，以確定最合適的方案。

(3)細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化。概念設(shè)計(jì)應(yīng)用于沒有具體數(shù)值量化的情況下。在設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)師需要靈活運(yùn)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，達(dá)到最佳效果。與宏觀把握相對(duì)應(yīng)，在設(shè)計(jì)過程中，要注意細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化。比如現(xiàn)澆板中異形板的拐角處容易出現(xiàn)裂縫，應(yīng)加放射筋或分為矩形板。立面設(shè)計(jì)時(shí)，立面上的懸臂板和鋼筋可以滿足標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu)要求，達(dá)到安全經(jīng)濟(jì)的目的。

四、建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法有哪些？

1、并行算法

高層建筑結(jié)構(gòu)的主要因素是結(jié)構(gòu)的抗水平力。因此，抗側(cè)移性能已成為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，是衡量建筑結(jié)構(gòu)安全性和穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)。

在建筑結(jié)構(gòu)中，單位建筑結(jié)構(gòu)面積的結(jié)構(gòu)材料中，承受重力荷載的結(jié)構(gòu)材料用量與建筑層數(shù)成正比線性關(guān)系。此外，建筑結(jié)構(gòu)屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)材料用量幾乎是固定值，不隨結(jié)構(gòu)層數(shù)而變化；但墻、柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料用量隨建筑層數(shù)成線性成正比增加；抵抗側(cè)向移動(dòng)的結(jié)構(gòu)材料用量與建筑結(jié)構(gòu)層數(shù)的二次方關(guān)系增加。

2.可靠性優(yōu)化法

在選擇非地震災(zāi)害區(qū)高層建筑結(jié)構(gòu)方案時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇抗風(fēng)性能好的結(jié)構(gòu)體系，即風(fēng)壓體系系數(shù)小的建筑結(jié)構(gòu)體系。例如，建筑結(jié)構(gòu)的圓形和橢圓形結(jié)構(gòu)形狀發(fā)生曲線流線變化，或截錐體系的風(fēng)壓系數(shù)從下到上逐漸減小，有利于良好的抗風(fēng)性。此外，在平面布置結(jié)構(gòu)時(shí)，適合選擇結(jié)構(gòu)平面形狀和結(jié)構(gòu)剛度分布均勻?qū)ΨQ的結(jié)構(gòu)體系類型，可以大大降低風(fēng)荷載下扭轉(zhuǎn)效應(yīng)引起的結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力的影響。

3.高層系統(tǒng)優(yōu)化法

建筑的使用性能不同，因此對(duì)內(nèi)部空間的要求也不同。同時(shí)，高層建筑結(jié)構(gòu)的使用功能不同，其平面布局也發(fā)生了變化。一般來說，住宅和酒店房間應(yīng)采用小空間布局方案；辦公樓適合大小空間；購物中心、酒店、展酒店、展覽廳、工廠、宴會(huì)廳、舞廳要求結(jié)構(gòu)內(nèi)無柱大空間。由于不同的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可以提供不同的內(nèi)部空間，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，應(yīng)首先根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的使用功能選擇合適的結(jié)構(gòu)類型。

五、建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)措施有哪些？

1.加強(qiáng)剪力墻的設(shè)計(jì)

剪力墻肢體的試驗(yàn)研究還表明，軸壓比超過一定值，難以成為延性剪力墻。影響彎曲構(gòu)件延性或屈服后變形能力的因素有：截面尺寸、混凝土強(qiáng)度等級(jí)、縱向鋼筋、軸壓比、箍筋量等。主要因素是軸壓比和箍的特征值。四肢墻是由連接梁的四肢組成的，從而增加了四肢的約束條件。連梁剛度的增加必然會(huì)增加結(jié)構(gòu)的地震效應(yīng)，從而增加連梁和四肢的分配力。此時(shí)，必須增加構(gòu)件的鋼筋量。顯然，這種設(shè)計(jì)結(jié)果將不可避免地導(dǎo)致材料的浪費(fèi)�！�

注重細(xì)節(jié)優(yōu)化

（1）在注重整體設(shè)計(jì)的同時(shí)，還應(yīng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)局部部件的精細(xì)設(shè)計(jì)。例如，在現(xiàn)澆板的設(shè)計(jì)中，盡量將異形板分為矩形板，既達(dá)到了合理應(yīng)力的目的，又避免了拐角裂縫的出現(xiàn)。

(2)底框抗震墻底框梁箍筋配箍量一般較大。此時(shí)，如果采用冷軋帶肋鋼筋作為箍筋，可以減少箍筋的肢數(shù)或直徑，降低成本，方便施工。此外，為了減少底部截面，使用高強(qiáng)度混凝土是柱構(gòu)件的好選擇，但水平構(gòu)件混凝土可以適當(dāng)降低混凝土的標(biāo)簽，滿足應(yīng)力要求，節(jié)約成本

（3）結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論，利用計(jì)算機(jī)分析軟件建立優(yōu)化設(shè)計(jì)的分析模型，采用高效的計(jì)算機(jī)優(yōu)化計(jì)算方法，建立結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)要求，最終實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化目標(biāo)。在具體的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)際上已經(jīng)從工程問題轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)學(xué)問題。

3.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的應(yīng)用

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法和技術(shù)的應(yīng)用體現(xiàn)在房屋工程結(jié)構(gòu)的整體優(yōu)化設(shè)計(jì)和房屋工程分支結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)上。房屋工程分支結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)包括：基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)、屋頂系統(tǒng)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。上述方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)還包括選擇、布局、應(yīng)力分析、成本分析等內(nèi)容，在滿足設(shè)計(jì)規(guī)范和使用要求的前提下，結(jié)合具體項(xiàng)目的實(shí)際情況，圍繞綜合經(jīng)濟(jì)效益的目標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的實(shí)用價(jià)值

在滿足建筑結(jié)構(gòu)長期效益的前提下，應(yīng)盡量減少近期對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的投資，提高建筑結(jié)構(gòu)的可靠性和合理性。與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)可以降低建筑工程成本5%-30%。優(yōu)化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)可以最合理地利用材料的性能，最好地協(xié)調(diào)建筑結(jié)構(gòu)中的每個(gè)單元，并具有建筑規(guī)范規(guī)定的安全性。同時(shí)，也可以對(duì)建筑的整體方案設(shè)計(jì)做出合理的決策。優(yōu)化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)適用、安全、經(jīng)濟(jì)目標(biāo)的有效途徑。