浅析建筑结构优化设计分析
【摘 要】对建筑结构的优化设计进行了科学的定义，分析了影响结构优化设计发展的因素，详细论述了结构优化设计的数学模型的建立和优化方法的选择。对优化设计综合评价指标体系的建立和使用方法进行了研究，并对结构优化设计的发展进行了展望。
【关键词】建筑结构；优化设计
说到优化建筑结构设计，可能有人以为优化结构设计嘛，只要通过受力计算，准确地计算出所需的钢筋用量和布置方式，使结构构件受力最佳、钢筋用量最省、功能最齐全，其实这是不对的，至少是不全面的。因为任何一幢建筑的结构设计方案提出之后，从结构选型和构件布置开始就已经存在是否优化的问题，再加上随后的每一个设计程序也都需要结构工程师去进行精心思考、准确计算和合理选用建筑材料等全过程的优化设计，才能最终产生优化的结构结构优化设计不应仅仅在结构本身，而是应包括建筑的各方面，比如，提高建筑空间利用率、增加建筑投入使用后的舒适度和提高建筑的经济效益（性价比）等。为此，科学地确定建筑结构优化设计几项基本原则并有效地按照这些基本原则去进行建筑结构设计，是非常重要的。
一、建筑结构优化设计的基本概念
根据优化设计理论原理，可将建筑结构优化设计定义为：对于已知的给定参数，通过相关理论、方法，找到这样一个设计变量，使其既能满足所有约束条件，又能使目标函数取得最小值。这里所谓的设计变量，指的是在设计过程中所选的描述结构特性的量，它们的量值可根据设计方案的不同取不同的值。这些设计变量所组成的维向量可用维空间的一个点来表示，称为“设计点”。在建筑结构优化设计中指的主要是：
1）设计截面的几何参数，如各个构件的截面尺寸、面积和惯性矩等。
2）结构总体的几何参数，如柱的高度、梁的间距、拱的矢高和节点坐标等。虽然设计变量所涉及的内容可能有很多，但总体可分为连续型和离散型2种类型。前者在优化过程中的变化是连续的，如拱的矢高和节点坐标等；而后者的变化则是跳跃性的，如备选的型钢截面面积或钢筋直径等。
结构优化设计的目标函数是指用来衡量一个设计的好坏，从而在不同设计方案之间进行比较的指标，它是设计变量的函数。目标函数的选取建立在结构本身的技术经济特性基础之上，目前应用较多的目标函数主要是结构造价、结构重量和结构体积3种。
约束条件则指的是在优化过程中需要满足的硬性规定，即无论采用何种设计方案都需满足的一些要求，离开了这些条件，优化设计也就无从谈起。建筑结构优化设计中采用的约束条件主要是几何约束条件和性态约束条件。前者从几何尺寸方面来限制设计变量，如要求工字型截面的翼缘和腹板的最小厚度；后者则限制结构的工作性态，如构件的强度和刚度、结构的整体稳定性等。满足所有“约束”的设计点称为“可用设计”，代表所有可用设计的那些设计点形成维空间的一个子域，称为“可用域”（又称为可行域）。所谓结构优化设计就是用一些力学和数学的方法，在可用域搜索目标函数最小（或最大）的所谓最优点，也就是最优设计方案。从理论上讲，根据结构设计变量的层次的不同，可将建筑结构优化设计分为截面尺寸的优化设计，结构几何形状的优化设计，结构的拓扑优化设计（如给定一个杆系结构的节点布置，要求确定哪些节点之间应有杆件连接），结构类型优化设计（如将一组荷载传递到支座，可以由梁、桁架和拱等不同类型结构进行优选）等几种。这几种优化设计的设计变量层次是逐渐提高的，所得到的结构的优化效果也逐级增强，但与之相应的优化设计的难度和工作量大小也逐级增大。因此，应根据优化的目标不同，在优化变量和优化代价中寻求一个合适的平衡点。
二、建筑结构优化设计的内容
通常情况下，建筑结构设计的主要工作是根据建筑设计的要求，采用合理的设计理念和方法，来确定适当的结构形式、布置以及具体的构件设计尺寸。对常见的钢筋混凝土住宅结构体系进行优化时，可以从结构整体布局以及具体构件两个方面加以考虑。影响结构整体布局的因素包括了建筑物的体型特征、柱网尺寸、层高以及抗侧力构件的位置等；具体构件因素主要包括结构的布置、构件的截面、混凝土和钢筋强度等级及配筋构造等。综合考虑两方面的因素影响是必须的，为了实现这一目标，对工程师提出了更高的要求：需要结构工程师对结构和构件受力特征有充分的把握，能根据构件设计的合理经验和对规范的深刻理解，采用合理优化方法进行有效设计。
1、建筑结构抗震设计的优化
1）尽可能设置多道抗震防线。1个抗震结构体系应由若干个延性较好的分体系组成，并由延性较好的结构构件连接协同工作。由于强烈地震之后往往伴随着多次余震，抗震结构体系应由最大可能数量的内部、外部冗余度，有意识地建立一系列分布的屈服区，主要耗能构件应有较高的延性和适当的刚度，以使结构能吸收和耗散大量的地震能量，提高结构的抗震性能，避免大震时倒塌。适当处理结构构件的强弱关系，同一楼层内宜使主要耗能构件屈服后，其他抗侧力构件仍处于弹性阶段，使“有效屈服”保持较长时间，保证结构的延性和抗倒塌能力。在抗震设计中某一部分结构设计超强，可能造成结构的其他部位相对薄弱，因此在设计中不合理的加强一部分以及在施工中以大代小改变抗侧力构件配筋的做法都需要慎重考虑。
2）建筑性能化设计。应根据实际需要和可能，有针对性地选择整个结构、结构的局部部位或关键部位、重要构件、次要构件以及建筑构件和机电设备支座作为性能优化设计目标进行性能化设计的优化。
2、建筑结构平面的优化
建筑结构平面的不规则会导致结构的扭转问题，即结构设计过程中未能做到质心、刚心和重心三心合一，在水平地震荷载的作用下结构发生扭转振动效应。为尽量使作用在楼层上的水平荷载均匀分布，减轻结构的扭转振动效应，建筑平面应尽可能采用简单的平面形式，如方形、矩形、圆形或正多边形等。当由于某些原因无法保证全部采用简单的平面形式时，应使建筑平面的不规则程度控制在规范允许的范围内。
3、建筑结构静力分析方法的优化
建筑结构的分析方法有很多种，包括弹性静力法、动力弹性分析法、静力弹塑性分析法、动力弹塑性分析法等。一般来说，建筑结构的变形和内力可按弹性方法计算，框架梁及连梁等构件可考虑塑性变形引起的内力重分布。建筑结构的计算模型应根据结构实际情况确定，所选取的分析模型应能较准确地反映结构中各构件的实际受力状况。建筑结构分析，一般情况下选用的是平面结构空间协同、空间杆系、空间杆一薄壁杆系、空间杆一墙板元等计算模型进行整体计算。然而，设计中经常将跨高比很小的转换梁、墙体连梁等构件模拟成了空间杆模型，这样会导致计算结果的不合理，因此，对于一些不符合杆系特征的构件在设计中采用有限元法来进行辅助分析。同时，由于计算模型无法对一些复杂构件的节点进行真实的模拟，也可采用有限元法来进行节点的分析。
三、结语
目前，在建筑结构优化设计实际操作中，更多的是采用“分析与校核”基础上的“综合与优选”方法，但真正的建筑结构优化设计软件还不完善。今后急需大力开展结构优化设计的应用研究，如开展有关设计思想及优化技术的普及工作，编制符合设计实际需要的优化电算程序等；另一方面需要继续深入进行结构优化设计的理论工作，如对多目标优化、结构动力设计优化、离散值设计变量优化、随机规划和模糊规划等课题以及模型化处理工作等。
参考文献：
[1]孙国正.优化设计及应用[M].北京：人民交通出版社
[2]江欢成.优化设计的探索和实践[J]。建筑结构
[3]罗福年，张慧英，杨军.建筑结构概念设计及案例[M].北京：清华大学出版社
[4]肖燕武.浅谈建筑结构设计的安全度[J].科技创新导报