探析建筑结构优化设计

1、探析建筑结构优化设计摘要：随着社会的发展与进步，我们越来越重视建筑结构优化设计，建筑结构优化设计对于现实生活中具有重要的意义。本文主要介绍建筑结构优化设计的有关内容。关键词：建筑；设计；结构；优化；方案；抗震；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

2、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

3、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性功能，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

4、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

5、、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

6、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

7、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

8、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。 （2）反应谱法主要针对于单自由度的体系，若将反应谱理论和振型分解原理相结合，用于解决多自由度体系的地震反应计算，这就是振型分解反应谱法。其特点是能够全面考虑结构的动力特性，且根据结构的振型曲线确定地震作用的分布。利用振型分解反应谱法计算地震作用和作用效应时，对于不需计算扭转藕联计算的结构，某振型质点的水平地震作用标准值与相应的振型自震周期的地震影响系数、相应质点的水平相对位移、振型参与系数和

9、重力荷载代表值有关。 （3）动力分析法（时程分析法）是以动力理论为基础的地震作用计算方法。所谓的动力理论，指的是在结构中输入与其地理条件相对应的地震加速度记录，得到结构在不同时刻的地震反应。动力分析法校正了采用反应谱法振型分解和组合求解结构内力和位移时的误差，能够较准确的反应结构震动的全过程；利用准确的结构和构件的恢复力特性曲线，可以计算结构在非弹性阶段每个时刻的地震反应（内力和变形），判断结构的屈服机制，确定结构的薄弱层和薄弱部位，以便采取适当的构造措施。 3.2 概念设计 在强烈地震作用下，只依赖结构计算设计满足结构的抗震要求是困难的，因为在结构计算的过程中，内力计算是基于弹性理论计算，而

10、截面设计是基于塑性理论的计算方法，这一矛盾使计算结果与结构的实际受力状态相差太远，为了弥补这一计算理论的缺陷，利用已发现的结构地震规律和对于结构总体。细部构造的良好的结构知识进行合理设计，即概念设计概念设计的目的是正确解决总体方案、材料使用和细部构造，达到合理的抗震设计。概念设计的基本原则如下： 3.2.1 选择对抗震有利的场地、地基 在确定建筑场地时，尽量选择有利的地段，如开阔平坦的坚硬场地；避开对抗震不利地段，如软弱场地，易液化土，状态明显不均匀等地段；如果无法避开时，应采取适当的抗震加强措施，如加强地基和上部结构的整体性和刚度、换填地基土层、采用桩基等。 3.2.2 选择对抗震有利的建筑

11、体型 建筑设计时，力求结构简单，如简单的平、立面图形是方形或圆形，只有结构简单才能使结构在地震作用下有直接和明确的传力途径，才能易于分析结构的内力和位移，找出结构薄弱部位。但实际工程中，建筑的平、立面出现凹角是经常的，而凹角位置容易造成应力集中或变形集中，应采取特别的加强措施。建筑平面和立面布置宜规则、对称，其刚度和质量分布宜均匀，防止地震时产生扭转破坏。 3.2.3 选择合理的抗震结构体系 建筑抗震结构体系应符合的原则：具有多道抗震防线，避免因部分结构或构件破坏导致整个结构体系丧失抗震能力或者对重力荷载的承载能力；具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径；具备必要的承载能力、良好的变形能力

12、和消耗地震能量的能力；具有合理的刚度和强度分布，避免在结构薄弱部位产生过大的应力集中或塑性变形集中。 3.2.4 保证结构的延性抗震能力 结构的延性是指结构吸收地震能量后的变形能力，延性好的结构能吸收较多的地震能量，能经受住较大的变形。延性结构的设计原则是：强柱弱梁或强墙弱梁；强剪弱弯；强节点、强锚固；强压弱拉。 3.2.5 处理好非结构构件 非结构构件主要指建筑非结构构件如女儿墙、围护墙、隔墙、幕墙和安装在建筑上的附属机械、电气设备，这些构件应与主体结构有可靠的连接或锚固，防止地震时倒塌伤人或者损坏重要设备。 结束语 建筑结构设计将直接影响建筑物的安全、适用、经济和合理性,更是决定建筑工程质量优劣的关键，建筑设计者必须从当今经济现状和发展趋势出发, 建立一个宏观的、合理的结构设计理念, 合理确定建筑设计标准、经济性措施和原则, 这样不仅满足设计各类需求,同时改善人类的居住环境。建筑施工的最终