土木工程建筑结构设计的优化探讨

2020-11-27武玉新

建材发展导向 2020年14期

武玉新

（天津市市政工程设计研究院城市设计分院，天津 300381）

1 建筑结构优化设计的重要作用

对土木建筑结构的优化，不仅可以提高建筑的质量，还可以改善人们的生活质量。具体而言，主要具有以下4个方面的作用：1）通过对建筑结构进行优化设计，可以进一步提高建筑使用的安全性；2）在合理完成建筑结构设计同时，可以全面提高建筑工程的施工效率，实现节约资源的目的，有效地降低施工成本；3）在建筑结构的优化设计中，可以实现绿色节能设计，使建筑的建设和使用满足环境保护的要求，与国家所提出的可持续发展策略相呼应，以此推动我国建筑行业朝向更加环保、绿色、节能以及低消耗的方向发展；4）在建筑结构进行优化设计后，可以对居民的安全做出保障，因为土木结构的优化设计更加重视建筑的安全性，而且也会重点考虑居民的实际需求，进而使设计方案更加完美。

2 建筑结构设计中结构优化的关键点

2.1 完善设计理念

建筑设计师在对建筑进行结构优化设计时，应进一步完善设计理念。在对结构进行优化时，需充分考虑改造过程中会对建筑造成的内部或外部的影响，并应延续原来的设计理念进行优化，所以是对原有设计的补充设计，完善原有的设计理念。在对建筑物的结构进行优化的过程中，需要重点考虑建筑结构的可靠性，为提高建筑环境稳定性导致优化设计的工作大幅增加。为提高优化设计工作的效率，可依靠拉氏乘子等方式，重新转化部分数据，将实际设计时会造成影响的约束性因素转化为非约束性因素。

2.2 确定最优方法

建筑设计师对建筑进行结构优化设计时，最重要的是找到调整建筑设计的最优法，提高建筑美观性和安全性的关键就是找到最优的设计方案。建筑师在对建筑物进行改造时，会涉及很多数据和设计条件，需要对众多数据进行计算找到最优解，通过合理的设计提升建筑物的各项性能。设计人员应根据设计理念选择最优的计算方式，将部分的附加条件有效去除，更加快速、便捷地获得计算结果，完成数据的收集和计算工作，降低工作强度。

2.3 设计结构模型

1）选择变量。每一个建筑物进行设计时都会涉及大量的数据，这些数据都会被设计人员收集、利用，作为定稿的参考数据，且部分数据可能成为设计人员设计定稿的关键。建筑项目的相关数据都可能影响设计人员的设计，很多数据都可以帮助设计人员减轻设计负担，加快工作进程，所以应合理选择数据变量，减轻设计人员的工作难度，设计出更好的设计方案。2）合理选择函数。通常在进行结构优化设计时，应先对钢筋尺寸和建筑的横截面尺寸等数据进行合理设定，然后将这些数据成功带入选定函数中，并通过这些函数进行分析。3）衡量施工条件。设计人员应根据施工方的实际施工情况及整个工程的预算和建造目的等因素合理判断，从而分析出需要遵守的条件，这样就可以保证该项目的设计和施工完全符合建造需求。

3 建筑结构设计的优化

3.1 优化整体结构体系

对于现代建筑，其不仅功能性较强，而且造型也非常复杂。所以，优化建筑整体结构体系时，要在满足建筑的功能性要求、规范要求以及造型要求的基础上，通过设计合理的结构布局，有效降低工程造价。

3.2 优化建筑结构设计模型

对建筑结构进行优化设计时，应先建立结构模型，而后围绕该模型，完成后续工作。对于一些结构比较复杂的建筑，模型优化非常重要，因为通过模型优化能够有效地将一些复杂的造型进行简化，并利用结构分析软件对结构进行工况分析，避免在方案实施时发现问题。

3.3 变量的合理选择与目标函数的确定

通常情况下，选择设计变量时，会选择对设计产生影响比较大的参数，将影响较小的参数作为预定参数，以减少计算编程的工作量。另外，确定目标函数时，应利用函数寻找能够满足既定条件的最优解，同时要确定约束条件。优化设计结构可靠度的约束条件主要包括裂缝宽度约束、应力约束、尺寸约束以及结构强度约束等，在实际设计过程中，必须确保各种约束条件都能够满足行业规范。

3.4 优化桩基础设计

桩基础是整个建筑的根本。桩基础的作用是承载整个建筑，并将自身承受的荷载传递到周围的土层中。通常情况下，建筑结构的桩基础有预制桩和灌注桩2种形式。对桩基础的优化设计，主要指的是在确保施工质量不受到影响的前提条件下，科学、合理地降低工程成本。

3.5 优化地下室结构

进行地下室结构优化设计时，应从2个方面进行：1）应在满足建筑使用要求的基础上，合理降低地下室的层高，不仅可以有效降低建筑施工中钢筋、混凝土等材料的使用量，还可以减少施工过程中土方的挖掘量，进而减少维护、维修等费用的支出；2）因为地下室结构受到的地下水的浮力以及土压力较大，需要使用大量的钢筋，所以，设计工作人员在进行优化设计时，需要对结构构件的实际受力状态进行全面、细致的分析。