聂永兵（湖南省建筑设计院，湖南长沙410011）

论结构优化设计与策略

聂永兵（湖南省建筑设计院，湖南长沙410011）

本文主要是根据建筑工程中的钢结构设计存在有待优化的问题，从而根据建筑设计的相关标准对其进行一系列的钢结构优化的设计等，具体针对钢结构的设计相关原则、钢结构在建筑中的设计、钢结构的基本优化方案以及其现实生活中存在的问题与解决办法等方面进行系统的分析，希望通过本文的研究，能够为在建筑工程中的钢结构优化设计提供参考。

结构优化；钢结构；建筑工程；应用价值

1 引言

结构优化设计这一门新技术是最近几十年发展起来的新型技术手段，该技术的出现使得设计者由原来的被动分析、核实，转变成主动设计、规划了，从本质上改变了结构设计。就目前结构优化设计的成功经验来看[1]，其与传统的设计相比较，最主要的就是可以有效降低工程的造价。另外，结构优化设计能够科学、合理地运用各种材料的性能，能够使该材料在应有的结构内部发挥出其最优化的状态，并且能够使其安全性能大大提高，与此同时还可以为整体性的方案进行合理的设计决策[2]。总而言之，结构的优化设计是能够使设计实现适用、经济、安全等一系列优点。

2 钢结构设计的原则

针对钢结构在实际设计中的稳定性问题[3]，本文主要提出以下三个基本原则，并对该三项原则进行了详细的阐明，以此来保证在钢结构设计在稳定性问题上能够得到有效的保障。

2.1 针对结构整体的布置必须要充分考虑整体以及相应组成部分的稳定性要求

就目前的这些建筑而言，其绝大多数是按照平面体系来进行设计的，例如框架等。为了能够确保这些平面结构不会出现平面失稳的情况，就需要对其整体结构的布局上来解决，并且其设计还必须要一定的支撑部件等。综合来讲，就是要求平面结构的构件出稳定的平面计算就必须要求与结构布置相一致。

2.2 结构设计计算的简图与实用计算方法依据的简图一致

针对目前的设计单元与多层框架结构设计时，对其不会经常做一些框架稳定的分析，取而代之的则是以框架柱的稳定性计算。而针对采取这种方式时，计算框架柱的稳定时要用到框架柱的长度计算系数，其应该通过框架的整体稳定性分析得出，只有这样才能够确保柱的稳定计算与框架稳定性计算具有等效的关系。不过，对于实际框架的种类是比较繁多的，为了能够在实际设计中对其计算工作进行简化，就需要设定一些具有典型的相关条件。针对实际设计工程中，框架计算所使用的简图与实际使用的方法所依照的简图不一致的情况下可以具体分成以下两种情况，即附有摇摆拄的框架和横梁受有较大压力的框架。依据实际情况，若要对其进行规范性的系数计算，都会存在着导致的不安全的后果，因此工程设计中所使用的计算方法要与之前假设和具体计算的对象相一致。

2.3 设计结构的细部构造和构件的稳定计算必须相互配合，使二者有一致性

要求机构计算与结构设计相一致，一直是在工程设计中值得关注的重要问题。针对那些要求传递弯矩与不传递弯矩节点的连接而言，其应该对其分别赋予足够的刚度、柔度，对其桁架节点的设计尽量减少杆件偏心，这些设计问题都是需要在注意结构设计的细节中常常被考虑的主要问题。然而，该设计在涉及到稳定性时，结构在进行构造时会出现不同强度上的要求的考虑。就拿简支梁抗弯强度而言，针对那种不动铰支座的要求只是对其位移情况进行了阻止，但允许其在规定的平面内转动。虽然在上述实例中能够进行有效的解决，但在处理梁整体稳定性时就显得不能够完全满足了。

3 钢结构建筑的设计

在建筑工程中，钢结构的设计就是钢结构成功运用的典范实例。但是为了能够确保钢结构在建筑中合理、有效，就应该在设计的过程中精益求精。在现代化的建筑工程钢结构的设计中，最为关键的两个步骤就是正确选择钢结构方案以及正确计算其钢结构的截面高度。

3.1 钢结构建筑整体与局部精细设计

对于建筑而言，其不仅需要有非常美观的外部结构，还需要注重对建筑间的相互协调的能力进行良好的设计。而在建筑中，钢结构的建筑也是非常重要的一种，其在具有钢自身建筑的特殊性同时，同样也存在这普通建筑的一般性。因此在对钢结构建筑进行设计时，一定要同时满足上述两种要求。由于钢结构具有其独特的性质，因此在对其进行设计建造时，会致使其部分细节的部位出现部分的偏差或者裸露在建筑外面。因此对钢结构建筑在设计时，在保证建筑外观与建筑功能比较完美的情况下，尽量将设计的过程进行精细化、严格化。

3.2 钢结构的稳定设计

在建筑工程设计中，钢结构设计的稳定性设计是众多设计中的难点，虽然其在单纯的设计中并不需要考虑前置等一系列条件，但是其需要在日后维护中是比较重要的，因此在对建筑进行设计时，对钢结构的稳定性设计也是非常重要的研究对象。针对钢结构建筑设计中出现失稳的状况主要分为两种，即整体性失稳、局部性失稳。所谓的整体性失稳就是指通过对整体框架稳定性作为研究对象，在计算过程中可以根据长细比稳定系数来带人进行验证；而局部性失稳则是指框架结构的内部由某一处结构产生的失稳状况，其通过间接的方式来影响整体的稳定性。因此针对钢结构在建筑整体布置中，一定要考虑其局部和整体的稳定性来进行设计、建造。

4 选择钢结构优化方案的基本原则

针对钢结构的优化设计方案，将结构平面布置主要包含有：质量中心、抗侧力刚度中心、外力作用中心等尽量保持其重合、接近，这样就能够避免或减小在外力的作用下使结构发生扭转的效应。针对其扭转进行抵抗的过程中，需要将所使用材料的用量进行数量上的增加，这样就会出现不规则的结构平面的布置，最终的结构就会导致建筑钢结构的设计建造不安全、不经济。

而对于结构中的安全、可靠性要保持高度的一致性，对于建筑设计中的每一个细节、构件都要认真的考虑，使其最大效应发挥到极致，这样就能够使结构设计与构建相互协调、统一，使设计的目标水平显现出来，实现其既安全有经济的设计理念。

对整体的结构设计方案进行总体的构思时，一定要将上述的建筑设计理念应用到建筑当中，使其结构与结构之间、结构与部分构件之间的关系进行合理的处理，使其在整体中保持最佳的受力状态，将其应有的作用有效的发挥出来，使结构拥有良好的延伸性以及足够的刚度、承载力等。

在一定程度上，要将其结构上受力、力的传播途径进行简单、直观的表现出来。若是比较复杂的传力途径，其显现出来的结构构件则是经过很多次的转换而显现出来的，这样就会是造价、成本过高，并且还会产生过多的计算错误而对安全性造成严重的影响。如果能够直接、简单的将传力途径展现出来，就能够使中间的传递构件节省下来，进而使其安全性能大大提高，造价方面也得到有效的降低。

5 钢结构住宅安装设计的问题对策

（1）针对那些压型钢板在对其进行装、卸的过程中严禁直接使用钢丝进行捆绑吊起；而在运输的过程中，应对其尽量设有足够的支点，防止其变形；在对钢板进行铺设前一定要将其弯曲状况校正好；保证钢梁顶部的平面保持清洁、干净。

（2）针对外墙板的选择和开发是钢结构住宅建筑中关键问题之一。其除了需要满足外墙板的各项要求外，还要根据墙板原料的选择，具体为生产场地、运输、安装等条件。

（3）而对于那些主要以建筑设计为主导的钢结构建筑而言，其需要与其它专业紧密结合起来共同起作用。除此以外，钢结构建筑还需要注重一些特殊问题的解决，具体为：钢结构优势的如何发挥、针对钢结构所带来的建筑平、立面单调呆板问题的解决，以及钢结构建筑的防火、防腐等相关问题的解决。

（4）另一个重大的问题就是钢结构建筑的造价问题。根据现实情况而言，钢结构建造的建筑在中、高档建筑中，钢结构建筑都是一项比较系统性的工程，其应从设计、建造、运输、安装、维修以及管理上进行环环协调、管理，以此来保证在钢结构安全的前提下，来降低其造价，从而提高其综合经济效益等。

（5）针对钢结构的布局而言，其主要的问题就是布局不规范，这样就会在地震时造成损害。若要想使其做到安全、科学、合理，并且节点的构造有简洁可靠，就需要在结合抗震性能与结构的布局上进行详细地研究等。

6 结束语

结构优化设计是一门比较综合性质的学科，其不仅需要相应的理论作为支撑的基础，还需要许多的成功经验等，其在各个行业中都存在应用的价值，非常具有研究的价值。结构优化在理论上对结构设计提出了更新的设计理念，能够为人类在有限的资源内合理运用打下坚实的理论基础。与此同时，结构优化的问题本身也为相关学科提出了比较新的任务，从而带动相关学科的发展等。本文主要对结构优化设计的具体内容进行研究，对其进行了概括，希望为在今后的结构优化设计上提供相应的帮助等。

[1]李 晶，鹿晓阳，陈世英.结构优化设计理论与方法研究进展[A].工程建设，2007（06）：21～31.

[2]侯贯泽，刘树堂，简国威.工程结构优化设计理论与方法.工程设计，2009，08：123.

[3]王自成.浅议建筑钢结构优化设计.建筑设计，2014，22：89.

TU201

A

2095-2066（2016）24-0170-02

2016-8-8

聂永兵（1981-），男，工程师，硕士，主要从事建筑结构设计等工作。