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第1篇：工程結構優化設計范文

關鍵詞：結構設計;優化設計;實踐

中圖分類號：TU318 文獻標識碼：A

對于一個項目，工程結構總體的優化設計主要是針對圍護結構、屋蓋系統、結構體系、基礎形式以及結構細部等進行相應的設計方案的優化設計。在設計的時候還必須考慮到相應的布置、選型、造價以及受力等方面的問題，然后根據工程的實際情況并結合建筑物的經濟性要求，對建筑結構進行相應的優化設計。 為了適應時展的要求，建筑的結構形式必須不斷的進行創新。對于結構設計師來說，要在確保建筑結構具有一定的安全保證的基礎上設計更合理、更經濟、更能體現創新的結構形式。

1 結構設計優化技術的現實意義

對建筑結構的設計進行必要的優化，在對于房屋結構相關的設計中的應用意義重大，不僅能夠滿足了建筑的實用與美觀，而且還可以有效地對工程造價進行控制。對于建筑商來說，其當然希望用最少的投資，而獲得最大的收益，然而又必須對建筑結構的科學性、可靠性以及安全性做出保證，這必然要求對建筑結構進行優化設計。

結構設計優化和傳統房屋結構設計進行比較我們可以發現：運用設計優化的技術能夠降低整個建筑工程造價10%～40％。結構設計優化技術能夠使得建筑結構內部的每個單元都得到最佳的協調，并可以對材料的性能進行最合理的利用。這樣不僅能夠保證相關規定的安全系數，還能夠實現建筑結構設計的經濟性與實用性。

2 結構設計優化技術在建筑結構設計中的步驟

2.1 建立結構優化的模型

在我們對房屋結構整體進行必要的優化設計時候，可以分成三步進行建筑結構的優化設計。下面將對每一步驟進行詳細的介紹：

2.1.1 要對設計變量進行合理的選擇

通常在對設計變量進行選擇時，我們把對建筑結構影響的主要參數作為設計變量。如目標控制的相關參數（損失的期望C2 和結構的造價C1）和約束控制相關參數（結構的可靠度PS）等；然而還有一些影響不是太大，其變化范圍也不是很大或者由局部性以及結構的相關要求就能夠滿足相應的設計要求的一些參數，我們可以用預定參數來表示，這樣能夠使得我們的設計量、計算量以及編制程序的工作量均大大減小。

2.1.2 對目標函數進行確定

在進行結構設計優化的時候，我們還必須尋找一組能夠滿足相關的預定條件的截面相應的幾何尺寸、鋼筋面積以及相應的失效概率的函數，使得工程造價最少。 針對目標函數進行的優化設計都有條件和相對的，即為“最滿意解”而不是最優解。

2.1.3 對約束條件進行確定

對于房屋的結構的設計優化來說，必須在確保結構整體可靠的基礎上，對優化設計相關的約束條件進行相應的確定，設計優化的約束條件主要包括裂縫寬度約束、結構強度約束、尺寸約束、構件單元約束、應力約束、結構體系約束、從可靠指標約束到確定性約束條件以及從正常使用極限狀態下的彈性約束到最終極限狀態的彈塑性約束等約束條件。在進行結構設計的時候，我們必須對目標約束條件與實際的約束條件進行相應的比較與分析，確保每個約束條件都必須滿足相應的要求，化繁為簡，抓大放小，以實現最佳的設計。

2.2 對優化設計的計算方案進行設定

根據可靠度進行的房屋結構的優化設計具有多約束且非線性的優化問題以及復雜的多變量，在進行相應的分析計算中，一般把有約束的優化問題轉換成無約束優化問題的求解。常用的優化設計的計算方法有拉格朗日乘子法、復合形法、準則法以及Powell（鮑威爾） 法等基于不同理論準側的計算方法。

2.3 進行程序的相關設計

針對具體的工程設計，我們可以根據不同的設計要求選擇有限元分析軟件或者設計配筋軟件，可以選擇針對具體構件進行有限元分析或者是針對整體結構實際工程計算分析。針對復雜的超高超限的工程可以進行專門的不同目標函數的優化設計，具體可選用結構優化設計系統MCADS。

2.3 結果分析

我們必須對相應的計算結果進行必要的分析比較，選擇出最佳的設計方案。在這個過程中，我們對出現的問題必須全方位、多角度的考慮。例如，鋼結構滿應力設計中病態桿的出現等。這一步驟在建筑結構設計優化中尤其重要，合理的選擇設計方案，不僅能夠確保結構的美觀、安全性、合理性以及實用性，還能夠對施工中的資金的投入有著重大的影響。在結構設計優化中只強調經濟性要求，而忽略技術要求，是不正確的；同樣只考慮技術要求，忽略經濟性要求，也是不合理的。我們必須在滿足現行規范的前提下，區分“應”和“宜”，對兩者進行合理的配置，才能達到相關要求。

3 結構設計優化技術的實踐應用

當下，限額設計已經成為常態，建設商經常附加各種各樣的設計條件，對于這樣的項目我們可以從前期設計、整體設計、舊房改造以及抗震設計等方面采用結構設計優化設計的方法來節約造價。下面對實踐應用中的問題進行簡單的說明：

3.1 結構設計優化應注意前期參與

前期方案直接會影響到工程的造價，然而很多建筑物的設計往往忽略了這一點。項目立項后，結構師應該及時跟進，對建筑方案提出合理的指導意見，避免出現超限、超規范的情況，前期參與能夠讓我選擇合理的結構形式以及合理的設計方案，節約造價占50%以上。

3.2 概念設計結合細部結構設計優化

在沒有具體數值量化的情況下，我們可以使用概念設計。例如，對地震的烈度進行設防時，由于它存在這不確定的因素，所以我們無法找到與實際相符合的計算式，所以在進行設計優化的時候我們可以使用概念設計的方法，把相應的數值作為參考與輔助相關的依據。同時在設計過程中，相關結構設計人員必須合理并靈活的使用結構設計優化的方法，從而達到最佳的效果。

在設計過程中必須對細部的結構進行相應的設計優化，物盡其材。例如，豎向柱構件采用高強度混凝土能夠有效減少柱子截面，而對于水平構件來說就可以降低混凝土標號，這樣既可以達到受力要求，又可以節約成本。后期的優化設計和細部結構精細化設計能節約一定的經濟成本。此階段通過優化設計能節約造價10%以上。

3.3 下部地基基礎結構的設計優化

基礎的設計尤為重要，基礎造價能占到結構成本的30%左右，在地基基礎的結構設計優化中，我們必須選取合適的基礎方案，確定合理的持力層，盡量選擇天然地基，樁基能不用則不用，可以有效降低成本、節約工期。如果不可避免的采用樁基，需根據樁端持力層的厚度選擇合理的樁長，并根據土層情況確定是否采用后壓漿灌注樁；而對于管樁，同樣直徑可以考慮選用方樁，能夠提高20%的摩擦力。通過對多種設計方案進行必要的分析比較，然后選取最佳的設計方案。

4 結語

對于住宅建筑，目前限額設計已經成為常態，傳統的結構設計理論與方法已經無法滿足建設商的要求，在目前的設計中采用優化設計已經成為無法回避的問題。通過選擇合理的結構體系以及基礎方案，充分利用材料強度，降低自重，活學活用規范做到精細化設計能夠節約可觀的工程造價，適應建設綠色可持續發展社會的要求。

參考文獻

[1]張炳華.土建結構優化設計[M].上海：同濟大學出版社，2008：34-36.

[2]汪樹玉.結構優化設計的現狀與進展[J].基建優化，2007:12-13.

第2篇：工程結構優化設計范文

關鍵詞：鋼筋砼建筑；結構優化設計；工程造價；策略

中圖分類號：TU723文獻標識碼： A

前言

建筑物的結構好比人體的骨架，結構設計的好壞直接影響到建筑物建設的難易程度和使用的舒適、安全程度，由于整個建筑施工需要遵照結構設計進行，因此，設計人員通過科學合理地利用各項技術實現對建筑結構設計的優化，能夠在很大程度上減少工程造價，實現技術手段與經濟效益的有機結合，最大程度控制合理的建筑成本。

1.工程造價與結構設計

1.1工程造價與結構設計的含義

工程造價是包括投資設計、施工圖預算、方案修正、工程竣工決算等在內的工程建設花費的全部費用。從工程決策、設計施工到最終工程驗收，不同階段的工程造價及影響關系存在差異，研究表明決策階段對工程造價的影響居于首位，而設計階段的影響程度可達到75%，其中，通過對建筑結構設計的優化，能夠將工程造價降低10%到20%，因此，對于鋼筋砼建筑來說，通過結構優化設計控制工程造價是十分必要的。

建筑結構設計是根據建筑的重要性，建筑所在區域的地震情況，建筑本身的規模和性質來確定建筑的結構形式，從而構筑受力構件和承重體系的一個過程，從階段劃分來說，它可以分為結構方案、結構計算、施工圖設計三個階段。從整個建筑施工過程來看，建筑結構設計在工程造價控制方面至關重要。

1.2工程造價與結構設計的關系

工程造價與結構設計的關系主要體現在以下幾方面，就設計階段的工程造價而言，它只占據整個工程極小的一部分，結構設計主要通過影響建筑施工決策來影響工程造價，設計過程中對于建筑結構方案的確定和施工材料的選擇是決定性的，這就對決策階段產生了巨大影響。同時，設計的質量好壞直接關乎建筑投資，由于設計質量問題導致的建筑事故在眾類事故中占據將近四成的比例，不合理的建筑設計往往導致施工過程中返工甚至停工現象，對于投資方而言，需要投入更大的施工人力和物力，造成資源的浪費和工程造價的攀升。建筑在投入使用后，由于照明、取暖、供水等產生的能源消耗情況與建筑物結構設計的科學程度關系密切，合理的結構設計能夠有效地節約資源，降低建筑使用費用。

2.鋼筋砼建筑結構優化設計

鋼筋混凝土建筑設計費用一般不超過總成本的1%，一旦投資方案確定之后，結構設計對工程造價的影響將達到70%以上。進行結構設計時，往往會由于設計人員業務能力和經濟意識的差別，使結果很難達到科學合理的程度。開展不同形式的結構優化設計，提高鋼筋砼建筑結構優化設計，是必要之舉。

2.1抗震結構設計優化

抗震結構是現代鋼筋混凝土建筑普遍考慮和實施的一種結構，尤其對于地震頻發地區而言，抗震結構是有效地保證建筑物穩定性和使用安全性的重要舉措。在當下經濟社會，抗震結構的設計要體現經濟性的原則，在抗震結構能夠最大限度保護建筑的前提之下，合理選擇設計方案，進行材料選取，貫徹經濟節約的方針。因此，在抗震結構設計之前，掌握建筑所在地區地震情況顯得尤為重要。具體方案確定時，需要根據地區至今發生的最大地震震級及地震數量，預測未來可能發生的地震情況，參考已發生地震引發的建筑坍塌事故數據，合理有效地配置建筑資源，優化抗震結構設計，控制工期成本。

2.2結構計算方法的優化

結構計算方法優化是鋼筋混凝土建筑結構優化的關鍵，過去的設計中，沒有專門的應用軟件供設計師進行精確的計算，更多的是通過人為的估計，對結構體系和構件截面尺寸做必要的假設，然后通過計算分析與規范標準進行校驗，這種人為地假設和經驗主義估計有時并不準確，大大降低了結構設計的質量。為了改變這種被動的設計方法，首先需要通過確定經濟合理的結構形式，柱網尺寸和剪力墻布置優化結構體系的選擇；其次，在上述基礎之上，考慮經濟可行性，選取科學合理的構件截面尺寸、混凝土強度等級、鋼筋強度等級和配筋量。

優化后的結構設計建立在初始假設的基礎上，通過多次分析和調整，針對不同構件布置方式和截面尺寸計算配筋量，進行經濟性比較，最終確定最優設計。以懸臂梁為例，針對跨度較大的情況，可選擇在跨中切斷（角筋除外），達到節省鋼筋方便施工的目的。

2.3選用高性價比的材料

鋼筋的選取應以高強度、延展性、可焊性、機械連接性優異的鋼筋為原則，這類鋼筋性能優良，可以有效減小構件截面面積，降低鋼材的使用量，從而減少工程成本，獲得最為直接的經濟效益。以HRB400、HRB500為代表的熱軋帶肋鋼筋是目前市面上選用最多的類型，并逐步代替了傳統的HRB335系列。當然，針對不同的建筑工程需求，還需要進行性能比對，選取最優的材料配比，例如從強度控制角度，當混凝土的強度大于C30時，HRB400系列的鋼筋用鋼量將比HPB235系列減少20%之多，當混凝土強度小于C30時，兩者的用鋼量相當，但HPB235的價格更為低廉，此時應選擇后者。

近年來，隨著建筑領域的繁榮，混凝土材料朝著高強度的方向發展。在鋼筋混凝土結構設計中，框架柱與剪力墻的軸壓需要滿足一定的比例關系，同時框架柱截面不能過大，對于此種設計要求，一般選用市面上強度大、變形小、耐久性好的現代高強度混凝土，研究表明，混凝土材料的強度由C30升至C60時，對受壓構件而言可以節省30%至40%的混凝土，因此，選用高強度混凝土對于節約原料，降低工程造價具有非常重要的意義。但是對梁柱而言，混凝土的強度對其承載力的影響不大，樓板在混凝土強度增大之后會增加開裂的幾率，因此，對于這兩者來說，選用低強度的混凝土為最佳，同時也符合經濟性原則。

2.4結構參數的優化

鋼筋混凝土建筑結構設計優化中對于結構參數的優化要具有全局和長遠的目光，針對不同用途的建筑和局部結構要根據將來的施工和潛在使用狀況，完善結構參數的計算分析。對于毛坯房而言，各個功能空間的結構參數在設計安排上要經得起二次裝修荷載；對于墻體而言，鋼筋混凝土梁板、混凝土墻柱、開洞情況是需要重點考慮的因素，在進行實際墻體高度和長度計算時，應扣除上述結構的空間，獲得墻體荷載的準確值。除此之外還需考慮的參數包括風荷載標準值、抗震設防烈度等。

2.5合理的構造設計

構造設計可以理解為構造計算的補充，下面通過幾個例子說明問題：

（1）對于框架梁而言，存在箍筋加密的問題，但對于普通梁而言，它的一側搭在剪力墻上，另一側搭在梁上，它的作用僅僅是支撐樓板，并不像框架梁那樣耗能，因此不需要進行箍筋加密；

（2）當主梁的上方放置了次梁或者主梁上部起柱，此時在主梁上無需安裝橫向鋼筋，但是梁的下部和由于集中承受了大部分荷載，需要預先安置橫向鋼筋，必要時可加設吊筋；

（3）短肢剪力墻的存在會影響建筑整體的抗震性能，結構設計時只需將短肢剪力墻的抗震等級提高一級即可。

結束語

通過優化建筑結構設計，能夠有效降低建筑材料的過于消耗和浪費，合理配置建筑資源，科學地安排人力和選擇施工技術，在保證工程順利實施的同時，降低了工程成本，實現了經濟效益的最優化。但目前結構設計優化中，對于結構計算的相應軟件發展仍處于不成熟階段，無法滿足當前建設的需要，不斷提升科學技術水平是解決當前結構設計短板的必由之路，只有通過不斷地實踐，加強對設計優化的重視程度，才能進一步推動建筑行業繁榮發展。

參考文獻

[1] 郝艷娥，蘭永強, 基于工程造價控制的框架結構優化設計研究, 低溫建筑技術,2014.02

[2]孫潔，鋼筋混凝土結構優化設計探討，安徽建筑，2010.10

第3篇：工程結構優化設計范文

（西安思源學院，西安710038）

摘要院建筑結構設計水平的優劣不僅關系著土木工程的可靠性和安全性，更關系著人們的生命財產安全。建筑結構設計是一項專業性很強的工作，要綜合考慮多方面的因素，如土木工程的美觀性、可靠性、經濟性，設計方案的可行性和合理性等，不斷提高建筑結構設計水平。

關鍵詞 院土木工程；建筑結構；設計；問題

中圖分類號院TU-02 文獻標識碼院A 文章編號院1006-4311（2015）27-0076-02

0 引言

隨著城市化進程的加速，高層建筑迅猛增加，建筑物的商品化形勢也逐漸加劇，一些房地產的投資商更關注利潤問題，例如為了實現利潤的最大化，要做好結構設計和規劃。在這個過程中，相關人員應比較多種方案，從而保證建筑結構形式更加安全與合理。建筑設計形式應不斷進行優化，經過一定時間的改進之后，使其能夠具有經濟性、節能性的特點。在實際施工中，要較好地限制設計的實施情況和建筑施工情況。相關人員應合理控制施工進度，但是當前建筑結構設計的一些問題并沒有得到人們的廣泛關注，缺乏有效的理論分析，建筑設計沒有被大部分工人掌握。有些設計人員擔心這種設計降低結構的安全度；另外，目前國家規定的設計費取費標準是以造價為基準的，這也讓設計人員失去結構優化的主動性。因此，為了減少工程造價的成本，相關人員在設計中，對建筑的設計方案進行詳細分析，重視其實施效果，始終堅持技術與經營效益相結合的理論手段，做好合理的規劃，創造出最大的社會效益。本文以某辦公樓為背景，對其結構優化設計進行了分析。

1 結構設計中存在的問題

1.1 建筑結構設計中的整體穩定性在現在的土木工程中，高層建筑是非常多的。但是在高層建筑的施工中抗震的實施是一項必須的工作。那么，在高層建筑的抗震設計中，對其寬度參數的研究是非常重要的，同時也是保證建筑結構設計整體穩定性的一項重要內容。在這一內容上要特別注意基礎的深埋程度，在一些建筑物的主樓和裙樓之間，如果用變形縫分開就會導致主樓的基礎深埋度不夠高，這樣在發生地震的時候，建筑物就會產生整體滑移的現象，嚴重時會出現整體性的傾覆。

1.2 樓層平面剛度的問題建筑結構在設計的過程中，其如果出現了缺乏結構布置必要措施和基本結構概念的情況時，就會采用樓板變形的計算程序來對樓層的平面剛度進行計算。雖然從力學模型上來講，此程序是成立的，但是在去頂樓板變形程度時，其計算的準確性卻存在著一定的問題。經過研究發現，此問題的出現和結構設計中某些部位或構建在安全儲備上過大的情況有一定的關系。在對這一問題的解決上，為了使程序的計算結果和實際中的真實受力情況不會出現根本性的誤差，在設計的過程中可以通過將樓層設計成剛性的露面來進行。

1.3 建筑結構設計的安全問題建筑事故的產生和建筑結構的設計是否有著直接性的聯系，也是建筑設計一直在重視的問題。在建筑結構設計的實際工作中，經常會出現盲目加大構建截面、增加鋼量的現象，其不僅會造成很大的浪費現象，還嚴重的威脅著建筑結構設計的安全性。雖然我國在建筑結構上所設定的安全貯備是比較低的，但是從部分工程的材料用料上來說，其卻高于國外的同類工程。從我國土木工程的結構設計方法上來看，自上世紀的50 年代開始，在建筑中所使用的混凝土強度就比較低，施工的手段也比較落后，以此就導致著建筑安全施工不斷的發生。從我國以前的很多建筑物上來看，自唐山大地震到汶川地震，其都經過了相關的考驗，這就說明了建筑安全事故的產生和建筑結構的安全性是沒有必然的聯系的。

2 建筑結構設計優化案例

2.1 案例概況本工程為一幢28 層（地上27 層，地下1 層）的高層建筑，總建筑高度82.6m，根據《建筑抗震設計規范》（以下簡稱《抗規》）GB50011-2010 中表6.1.2，抗震墻結構高度小于80m 時，抗震等級為四級，大于80m 時，抗震等級為三級，確定為27 層的設計方案，其中地上26層，地下1 層。總建筑面積達到10138.19m2，高度達79.60m。

2.2 計算參數的確定及計算軟件的選取

2.2.1 設計基本參數本工程的設計基準期為50 年，使用年限為50 年，安全等級則為二級，地基設計等級為甲級。該建筑工程抗震設防烈度為6 度，地震分組是第一組，設計的基本地震加速度選取0.05g，建筑抗震設防類別是丙類，場地類別芋類，抗震構造措施四級。工程場地的特征周期Tg=0.45s，水平地震影響系數的最大值琢max=0.04。工程所在地區基本風壓為0.45kN/m2，地面粗糙為B 類，風壓的體形系數、風壓高度變化系數以及風振系數都按《建筑結構荷載規范》GB50009-2001（2006 版）的規定來確定，樓面活荷載標準值按《建筑結構荷載規范》進行取值。

2.2.2 計算軟件在結構計算中，主要采用了PKPM軟件，在高層建筑中應用這種軟件，能夠較好對有限元和計算軟件進行分析，更好地對剪力墻進行設計，從相關數據顯示，這種結構能夠有助于單元的較好劃分。在這個過程中，相關人員要總結不同洞口的排布方式，使建筑物結構各部位的受力情況得到有效的計算。

2.3 計算分析與多層建筑相比，高層建筑更容易受到多因素的影響，例如地震、風力，都會在一定程度上影響建筑設計的實施情況。如果施工建筑中，結構位移的變化較大，就可能導致結構出現扭轉、產生裂縫，降低了建筑物的整體舒適度，嚴重的情況會導致建筑物的結構損壞。在建筑設計中，結構設計是重點內容，從實際情況來看，剪力墻的數據越多，其能夠抵抗側力的剛性就越大，這種會影響相關人員對結構的控制。根據《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ3-2010（以下簡稱《高規》）可知，高度小于150m 的剪力墻結構樓層層間最大位移與層高之比的限制為1/1000。設計時可以1/1050耀1/2000 作為層間位移比的目標限值，在保證建筑物安全富余的前提下減少不必要的剪力墻墻體，從而從整體上節約造價。根據計算分析，本工程樓層最大位移：X 方向風荷載作用下的樓層最大層間位移角：1/1565；Y方向風荷載作用下的樓層最大值層間位移角：1/1274，滿足位移角限值且合理的控制了結構的抗側力剛度。

《抗規》3.4.2 規定：建筑設計應重視其平面、立面和豎向剖面的規則性對抗震性能及經濟合理性的影響，宜擇優選用規則的形體。建筑的平面布置制約著剪力墻的布置，若建筑平面比較規則、凹凸少則用鋼量少，反之則較多，平面形狀是否規則不僅決定了用鋼量的多少，還應對結構的抗震性能進行分析，例如平面寬度和長度都比較大的建筑物，其在兩軸方向動力特性相差比較遠，所以在水平力的作用下，構件的受力情況不均勻性會使結構產生扭轉，增加單位面積用鋼量。根據《抗規》3.4.3-1 中扭轉不規則規定：在規范水平力作用下，樓層的最大彈性水平位移大于該樓層兩端彈性水平位移平均值的1.2 倍為扭轉不規則。在本工程中，根據計算結果數據分析，X 與Y 方向的最大層間位移與平均層間位移的比值均小于1.2，限制樓層位移比，關注的是結構設計承受的扭轉效應。《高規》3.4.5 規定結構平面布置應減少扭轉的影響。結構扭轉為主的第一自振周期Tt 與平動為主的第一自振周期T1 之比，A 級高度高層建筑不應大于0.9。本工程前三階振型周期表如表1 所示，以平動為主第一自振周期T1=2.8134，以扭轉為主第一自振周期Tt=1.9668，Tt/T1=0.6990約0.9，限制結構扭轉周期與平動周期的比值，其目的是確保結構有一定的扭轉能力，使結構具備必要的抗扭剛度。

《高規》7.1.8 規定：抗震設計時，高層建筑結構不應全部采用為短肢剪力墻結構。《高規》7.2.2 條，抗震設計時，短肢剪力墻的設計應符合下列規定：其軸壓比限值相應降低0.1；除底部加強部位外，其他各層短肢剪力墻的剪力設計值，一、二、三級抗震等級應分別乘以增大系數1.4、1.2和1.1；短肢剪力墻截面的全部縱向鋼筋的配筋率，底部加強區部位一、二級不宜小于1.2%，三、四級不宜小于1.0%；其他部位一、二級不宜小于1.0%，三、四級不宜小于0.8%。以上要求加大了剪力墻的截面厚度及配筋率，不僅抗震性能較差，經濟指標也不好（圖1 所示）。該工程剪力墻布置如圖2 所示，所有剪力墻均未使用短肢剪力墻，相關人員要了解剪力墻的容量，然后將其設計成L 的形狀或是T 型的形狀，從而保障剪力墻的穩定結構。在這個過程中，相關人員要做好側向的剛度測量，確保建筑設計滿足結構的本身指標，在一定程度上降低工程的資金投入。

第4篇：工程結構優化設計范文

【關鍵詞】結構設計；功能成本優化

前 言

本文所提及的結構設計是一項具有復雜性、綜合性的設計工作，該設計工作包括零部件材料的選擇、工藝的制備、精度的確定、制圖的原則以及設計計算和試驗檢測方法等學科。由此看來，在零部件的結構設計工作過程中，材料、工藝以及設計等內容都會對該工作的功能成本產生影響，若是在計劃選擇時發生偏差，便會不利于零部件的結構設計功能成本優化。其中，各項影響因素之間也存在關聯，并且互相影響制約。正是由于這些影響因素的涉及范圍廣泛，因此，機構設計的功能成本的優化工作難度很大，在此對其功能成本優化的手段和措施做出細致探討是十分重要的。

一、影響結構設計功能的因素

在零部件的結構設計工作中，影響其功能的因素包括以下六種情況：

1、受力影響因素

零部件的受力程度與其結構尺寸的規格有關。在所謂零部件的受力狀況即指載荷的性質、大小以及方向。因此，在完成零部件的結構設計工作時，為避免由于承載能力不足而引發的事故，造成不必要的成本損失，應當注意零部件結構尺寸的設計以及用料的選材。

2、材料性質影響因素

在零件結構設計選擇材料時，應當注重對材料特性的考慮。同時要明確一個原則，唯有材料質量合乎要求標準，才能保證結構設計工作的質量，這才是使零件結構設計功能成本優化的基礎和關鍵。由此看來，選擇耐受的材料應用在零件的結構設計中，不僅能夠完成結構設計任務，確保設計質量；同時也能以最小的耗材形式呈現設計結果，從而節約零件結構設計的功能成本投資。

3、設計可行性影響因素

零件的結構設計不能只是單純地從理論角度出發，更要結合實際，對其結構設計的可操作性以及操作的難易程度加以考慮。由于零件加工的消耗成本同其加工操作的難易程度也有很大的聯系，因此，為了結構設計成本的合理控制，應當注重設計結構的操作工作要講究經濟性、實用性以及可操作性。

4、設計裝配影響因素

為了實現零件結構設計的功能成本優化，節約設計工作的資金投入，我們應盡量使零件的安裝配置趨于自動化、簡便化。

5、設計可靠性要求

零件的結構尺寸與其可靠性成正比，若其結構設計可靠性能夠有保證，那么就能保證該零件結構在一定的條件下完成其要求的功能概率。

6、部件的使用與養護維修

所謂零件的壽命周期可分為兩部分，該壽命周期的前半部分為零部件的設計階段和制造階段，然而這兩個過程對零部件產品的使用以及維修過程不斷地經濟化和簡便化起著至關重要的作用。因此，加強對部件使用過程的養護管理可節約零部件結構設計的功能成本投資。

二、影響結構設計功能的因素

1、有關設計費用的影響因素

隨著零部件產品中所引用的結構設計在不斷地復雜化，其相對應的零件結構設計的成本費用也在不斷增長。由此看來，要想充分體現出結構設計的經濟化和簡便化發展趨勢，就應在零部件的結構設計工作中注重設計的成本費用的節約。

2、有關材料費用的影響因素

為了體現零部件結構設計成本的經濟化發展，應注重在零部件結構設計工程中材料的選擇及其材料成本費用。同時應注意在結構設計中部件造型的設計、材料特性的利用以及材料資源的節約，尤其是貴重金屬的節約使用。往往人們在零件的結構設計工作中容易忽略坯料的結構尺寸同實際的結構尺寸的合理分配，從而導致邊角廢料的浪費，以及材料利用率的降低。

3、有關加工費用的影響因素

在零件的結構設計過程中，其加工費用也往往是人們用以忽略的資金消耗的地方，同時，也是資金投入較多的環節。因此，應當對需要加工的零件在進行加工操作之前做一個合理的整理劃分，選出最具合理性和經濟性的加工方法，并確定出標準合理的衡量指標，從而降低零部件的加工成本費用。

4、有關使用費用的影響因素

某些產品的使用費用比購置費用還要高,此時該設計既要注意降低費用, 同時還要注意選用高效率、低能耗、可靠性較高和維修方便的結構。

5、有關其他費用的影響因素

主要有包裝費用、運輸費用以及安裝費用等。這部分費用往往不為設計人員所重視。

三、結構設計的功能與成本相互關聯分析

對于特定的結構,其成本可用壽命周期成本來表示,則結構設計的功能與成本的相互關聯。其中設計變量,是影響結構成本的功能關聯因素。

四、結構設計的功能成本優化方法

1、等強度優化法

等強度優化法能夠通過每個零部件截面受力能力的程度來確定該零件的受力截面的范圍，同時保證每個確定下來的截面范圍內的強度以及安全系數是相同的，以便確保受力部件在一定強度的受理條件下不被破壞。

2、結構系統可靠性優化方法

由兩個或兩個以上的結構元件互相間有機地組合起來,用以完成某種特定功能的綜合體稱為結構系統。結構系統的可靠性優化,是指通過選擇適當的系統可靠性,并以此為依據確定系統內各元件的結構尺寸,使得結構系統所耗費用最小。

3、數學規劃優化方法

如果在功能與成本優化時,其優化問題可以用一定的目標函數表示, 并且各結構設計變量可用一定的約束條件表示,這類優化模型就稱之為數學規劃優化模型。在許多結構設計問題中,都可以采用這一類模型進行功能與成本的優化。

結束語

結構設計的功能與成本優化是一項較復雜的工作,以上優化方法基本上屬于單因素的優化問題,對于多因素優化方法,還有待進一步探索。

參考文獻

第5篇：工程結構優化設計范文

關鍵詞：深基坑；支護結構；優化方法

中圖分類號：TV551.4文獻標識碼： A

引言

深基坑支護工程技術難度高、風險大，是一項較為系統的工程。高層建筑上部結構傳到地基上的荷載很大，為了充分利用地下空間，有的設計有多層地下室，所以高層建筑的基礎埋深較深，施工時基坑開挖深度較大，許多城市的高層建筑施工都需開挖深度較大的基坑，給施工帶來很多困難，尤其在軟土地區或城市建筑物密集地區。施工場地鄰近的已有建筑物、道路、縱橫交錯的地下管線等對沉降和位移很敏感，不允許采用較經濟的放坡開挖，而需在人工支護條件下進行基坑開挖。支護結構如何選型、進行合理的布置和設計計算，這些會直接影響如何組織施工，以及施工過程中的支護結構監測和環境保護等問題。

2、工程概況

本工程位于某市新區，基坑平面尺寸為75m×140m，地下室占地面積近9000m2，工程由A、B、C座三幢單體組成，其中B、C座設二層地下室，地下一層樓面標高-3.85m、地下二層樓面標高分別為-7.65m和-8.40m，基坑開挖深度7.70m～9.05m，電梯井局部開挖達11.20m；A座設一層地下室，基坑開挖深度3.85m～5.35m。工程樁采用700mm～ 800mm鉆孔灌注樁，基坑周邊采用上翻地梁，所有承臺均下翻。本次設計對象為B、C座地下室基坑。

3、高層建筑深層支護技術

3.1.鋼板樁支護

鋼板樁深基坑支護技術具有操作簡單、造價低廉的特點，在高層建筑的深基坑支護施工中被廣泛的運用，但在具體施工中也受到周圍環境的限制，無法運用于所有深基坑支護工程中。鋼板樁支護是一種連續性的支護技術，在具體的應用中要使其在距離基坑5米的位置施工。施工用的鋼板應符合長6-9m,寬3m,厚25mm的規格，板樁的界面形狀為梯形、總體結構呈U型，充分提高幾乎結構的受力能力。

3.2.攪拌樁支護

深基坑攪拌樁支護主要是應用水泥做施工的固化劑，使用具有較強入土能力的攪拌機對加有水泥的土壤進行強制性的攪拌，使二者之間充分接觸、均勻相連，達到最高的物理強度，起到充分的阻擋土壤和水分滲透的作用。在進行這種類型深基坑支護的過程中要控制好開挖深度，就可以在各種形狀的作業面中使用該技術，并且為整個工程節約巨大的開支，獲取更大的經濟利益。

3.3.柱列排樁支護

柱列式排樁支護技術操作簡便、成本低廉，主要是由柱列式排列的鋼筋混凝土灌注樁充當擋土結構，具有較強的實際支護效果。但是柱列式的深基坑支護技術會受到復雜的施工工序的影響，在完成混凝土灌注樁澆筑之后，不能夠達到樁與樁之間的緊密相連。所以在具體的施工各種要將建筑截面的連梁連接起來。

3.4、錨噴網支護

錨噴網支護是通過將噴射錨桿、水泥混凝土和鋼筋網整合在一起來形成一個穩定的結構，是一種較為先進的支護形式。特別適用于跨度比較大的建筑工程。對于巖土質高邊坡工程也有著較好的適用性，錨噴網支護的主要優勢是體現在能改善給巖土體強度不足的特性，同時能夠使得巖土體自身的強度得到充分的發揮。

3.5、地下連續墻支護

地下連續墻的具有較大的剛度，另外能夠起到很好的防水和抗滲的效果。特別適合于一些深基坑中存在地下水、沙土粘土的復雜地質條件的基坑工程。在連續墻的施工過程中需要將墻體結構埋入到較深的土層之中。這種支護形式的應用范圍也比較廣

4、支護方式的選擇

4.1、基坑支護方案的確定

根據現場水文地質情況及基坑支護規范要求，土方開挖過程中，采用深層攪拌樁，自然放坡，其中雜填土放坡邊坡系數為1：0.75，強/中風化板巖及輝綠巖放坡邊坡系數為1：0.4，以確保邊坡穩定。

4.2、基坑排水方案的確定

排水可采取明溝排水的辦法，在基坑底部周邊設排水溝，在四周角點各修筑一個1米×1米的集水坑，用水泵將基坑滲出的地下水排出。對于由于降雨產生的雨水排水措施我部在基坑邊四周約1.5米的范圍內修筑200×300的排水溝，防止雨水流入基坑導致基坑坍塌。具體情況如圖一所示：

（圖一）基坑排水方案

5、深基坑支護結構設計中存在的問題

5.1 放坡開挖時坡角過陡

在深基坑支護工程中許多類型的土壤都可以采用放坡開挖的方式開挖，在進行基坑開挖的時候，粘性土的滑動計算會直接會影響到斜坡的穩定性，而在工程的實際應用中，難免會有人會粗心大意或者存有僥幸心理，不按照規定進行操作，導致出現質量問題，嚴重的還會導致安全事故發生。

5.2 邊坡開挖達不到規范要求

深基坑支護的開挖必須得使用機械，工作人員將土坡簡單進行修正之后方可進行擋土支護工序。但是通常狀況下，在實際操作的過程當中，經常會出現施工人員擅離職守、技術水平層次不齊、機器操作水平不當，導致邊坡的表面粗糙不平，修補時也不按標準執行，存在超挖、欠挖現象。

5.3 忽略跟蹤監測

為保障工程的正常應用，在進行深基坑支護時部門都會采取跟蹤監測的措施，這樣方便我們在遇到疑難問題的時候能夠及時進行解答和處理。然而在實際的建筑過程中，很多施工單位都忽略了跟蹤監測，沒有很好地對跟蹤監測本領和體制進行完善，也沒能及時地掌握基坑支護變形的實時資料，等到發現問題時已經為時已晚。

5.4、深基坑土體的取樣具有不完全性

在支護結構設計前，應該對地基土層進行取樣分析試驗，以取得土體比較合理的物理力學指標， 為支護結構的設計提供依據。一般深基坑開挖區域內鉆探取樣都是按照國家規范的要求進行的。所以取得的土樣具有一定的隨機性。然而地質構造復雜多變，取得的土樣無法全面反映地基土層的真實性，支護結構的設計也就不一定完全符合實際。

6、深基坑支護結構方案的優化方法

6.1、加強基坑圍護體系

加強基坑圍護體系，首先應該保證基坑周圍邊坡的穩定，使工程可以擁有足夠的施工空間，不受來自土層方面的壓力；其次，要保證基坑施工周邊的環境和設備不受損壞，充分發揮圍護體系的作用，限制對工程的施工所造成的影響，將土層的變形控制在范圍之內；最后，要保證基坑工程的施工不受地下水位的影響，阻隔來自地下水方面的壓力。

6.2、關注基坑工程的排水降水

在基坑工程施工中，由于其本身的特性，開挖的地點如果低于地下水位的平均高度，就會引起地下滲水，給工程施工帶來困難，導致地基松動，降低工程穩定性，進而影響建筑的整體性能和安全。所以，在基坑工程施工過程中，必須隨時關注地下水位的變動，并及時采取相應的措施對地下水位進行調節，保證基坑工程施工的順利進行。

6.3、加大對施工現場土質的處理

施工地區的土體強度是深基坑工程穩定性的一個重要因素，主要包括土層的抗壓能力、抗拉能力以及抗剪能力。施工現場的土體抗剪強度如果不足，土質較軟，就會影響工程的穩定性。因此，在工程的設計和選址階段要盡量避開柔軟的土層。如果因為條件的限制無法改變施工地點，就應在施工過程中對土體的強度進行人工加強，以確保工程的穩定和安全。

6.4、制定應急預案

為確保基坑支護、土方開挖、降水等施工正常進行，預防突發事件以及某些預想不到的、不可抗拒的事件發生，事前有充足的技術措施準備、搶險物資的儲備，最大程度地減少人員傷亡和經濟損失，必須進行風險分析和預防。根據本工程的特點及施工工藝的實際情況，其應急準備和響應工作程序見圖二所示。

（圖二）應急準備和響應工作程序圖

總之，在深基坑工程中，設計是核心，監測是手段，施工是保證，現階段深基坑支護工程在施工過程中也已經開始重視施工合理化、信息化，因此，為了保證深基坑支護技術工程能夠長期穩健的發展，就必須進一步全面加強對深基坑施工技術的認識與研究。

參考文獻：

第6篇：工程結構優化設計范文

關鍵詞:建筑工程 結構 設計 常見問題 解決措施

中圖分類號： TU198 文獻標識碼： A 文章編號：

1 建筑結構設計的基本過程

1 .1 結構計算

建筑工程的計算荷載有:外部荷載和內部荷載,它們的計算要依照荷載規范的規定及要求使用不同的組合值系數及永久值系數等進行不同工況下的組合計算;對于構件的試算,要依照計算出的荷載值、構造措施的要求、使用要求和各種計算手冊上的試算方法來對構件的截面進行初步的確定。

1 .2 設計方案

根據工程地質報告、建筑場地類別、建筑物高度和層數、建筑物的重要性、建筑所在地的抗震設防烈度等情況對建筑的結構形式進行確定。在確定了建筑結構的形式之后,要依據不同結構形式的特點及要求來對建筑結構的受力構件和承重體系進行布置。

1 .3 施工圖設計

對于建筑工程內力的計算要依照已經確定的構件截面及荷載值來進行計算,它包括:拉壓力、彎矩、剪力、扭矩等。根據最后計算出的結構內力和規范對構件的要求及限制,對結構試算的構件是否滿足規范的要求進行復核。若不滿足,則要調整構件的截面或者布置,直到滿足要求為止。

2 建筑結構設計中常見的問題

2 . 1 現澆砼樓板的干縮開裂和支座負鋼筋倒伏的問題

2. 1. 1 干縮開裂問題

在進行混凝土樓板澆筑時,澆筑完混凝土后,會在短時間內出現樓面出現龜裂的現象,尤其在溫差較大的季節或地區這種現象非常明顯,而且這種現象多發于住宅樓,公用建筑和商用樓較為少見。這種龜裂多是由于混凝土的水灰比過大造成的,它降低了建筑結構的剛度,增大了結構的撓度,使整個結構的安全性和耐久性都明顯的降低。出現這種情況的原因是:由于現在的工程大多使用商品砼,混凝土是由預拌廠直接負責提供的,泵送混凝土要求混凝土的和易性要好,流動性要高具有較大的坍落度,商品砼為了達到這種效果就會加大水的配比,使混凝土的水灰比過大,會影響混凝土的強度。

2.1.2 支座負鋼筋倒伏的問題

當進行完樓板上的鋼筋綁扎后,隱蔽驗收后才可以進行混凝土的澆搗工作,但是在實際施工中,由于沒有注意保護好已架好的支座負鋼筋,工人隨意的踩踏使得板支座負鋼筋的倒伏隨處可見。鋼筋的倒伏會造成支座負彎矩沒有足夠的鋼筋來支撐,引起支座板面出現裂縫,加大了撓度,降低了剛度,使板的受力狀態逐漸趨向簡支,造成板底配筋不足，板跨中也產生裂縫。

為了減少現澆砼樓板的干縮開裂和支座負鋼筋倒伏的問題發生，建議在設計過程中板鋼筋采用HRB400級的鋼筋，在板配筋計算面積的基礎上適當加大配筋。

2 .2 柱體、墻體連接混亂

在對比較復雜的結構平面進行布置時,往往會出現多方向柱網相連的地方。有的把每根柱和周圍各柱都用框架梁連接起來,形成多梁交匯于一柱,這給接點區的鋼筋錨固和混凝土的施工帶來了很大的不便嚴重的影響了施工的進度。在設計過程中應注意避免出現多梁交匯于一柱的情況。

2 . 3 結構電算或設計方法存在問題

2.3.1 實際施工圖紙和電算的計算簡圖不符

問題主要表現在剪力墻開洞的大小、剪力墻的長度、厚度、門窗洞口的位置、框架計算高度等和施工圖紙不相符。這大多是由于結構專業的計算進行的過早,建筑平面經過多次的調整,又沒有來得及反饋給結構專業,使專業間相互脫節,等到了施工圖紙進入校審的階段,大多都只注意在圖面上,沒有核對建筑圖,進而造成了這類錯誤,這會使某些構件的配筋失真,造成配筋不足的危險。

2.3 .2 抗震概念設計不足

建筑抗震設防的三個目標可以用小震不壞、中震可修、大震不倒來進行總結,第一目標可以利用承載力的計算來保證;第二目標可以利用結構可靠度標準分項系數來達到損壞可修的目標;但第三目標就要通過概念設計和各種抗震構造措施來實現。這就要求結構要具有良好的吸能、耗能能力,具有較高的靜不定次數、避免豎向承載力和剛度突變、結構的構件盡可能為延性構件。

2 . 4 鋼筋混凝土結構概念設計淡薄

概念設計通常是指不經過數值的計算,根據整體結構體系和分體系間的力學關系、震害、試驗現象、工程經驗等,來獲得基本設計的原則和思想。在現行的抗震規范中規定,一般結構設計的彈性計算是以多遇地震方面為出發點的,其超越概率為63.2%,比一般設防烈度低 ,規范要求設計不但要負荷概念設計的規定,還要加強抗震措施,這樣才能達到設防標準,但一些工程只注重計算結果,忽略了概念設計和對抗震的要求。

3 解決建筑結構設計中常見問題的有效途徑

3 . 1 確定整體結構的科學性以及合理性

3.1.1 結構剛度與重力荷載之間的比被稱為剛重比

它影響著結構整體的穩定性,也是影響重力二階效應的重要參數。一般都會使用增大剛重比的方法來考慮重力的二階效應。結構的剛重比增大則二階效應就會減小,二階效應要控制在20%以內如果改制不能達到要求,則可能引起結構的失穩導致坍塌。

3.1.2 剪重比是抗震設計中非常重要的參數

由于長時間的作用下,地震影響系數下降的會較快,根據這種情況計算出來的水平地震作用下的結構效應可能偏小。對于長周期的結構,地震動態作用下的地面加速和位移會對結構具有更大的破壞作用,如果剪重比＜0.02,結構的剛度雖可以滿足水平位移限制的要求,但卻不能達到結構整體穩定的條件,設計人員要在設計過程中綜合的考慮剛重比和剪重比的合理取值。

3 . 2 結構體系選型的設計方案和優化

結構體系選型的優化可以在項目建設方案確定的過程中引入,這樣可以避免建筑方案在結構方面的不合理,首先是建筑物的體形,其次是柱網尺寸,層高以及主要的抗側力構件所在的位置。

例如:延吉的某建筑工程的主次梁樓蓋的柱網不適合采用正方形的設計,而應該采用矩形。以短跨為主梁,次梁為長跨,并且短跨和長跨的比例＜0.75,這樣相對比較經濟。其采用的主次梁跨度比在0.65～0.70之間 ,根據這樣的設計計算 ,使其的主次梁的截面高度協調一致,使梁底達到基本齊平,保證了樓蓋的結構高度最小。

3 . 3 結構構件的設計方法和優化

3. 3. 1 剪力墻下布樁

當建筑的結構為剪力墻或框剪結構時,剪力墻主要承受地震水平力,它也是承受豎向荷載的重要構件,所以要沿著剪力墻全長布樁,樁的中心線要和剪力墻的中心線重合,布置雙排樁時,樁的承臺要具有足夠的剛度,并應作承臺的抗彎和沖剪驗算。

3. 3. 2 樁基礎設計

當布樁僅按照豎向荷載作用進行時,要對彎矩作用下的承臺底部邊樁的反力進行驗算。尤其是框剪結構的剪力墻和剪力墻結構核心筒底部彎矩及剪力對基礎承載力的影響較大,不能遺漏。對于水位較高的地下室和短肢剪力墻、大跨度結構等彎矩較大的承臺底部樁基要驗算其是否存在向上的抗拔力。

第7篇：工程結構優化設計范文

關鍵詞：建筑結構；結構優化；實際運用

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.13.119

0 引言

建筑是一種藝術， 人們都是帶著審美的眼光去審查一棟建筑，建筑是從美觀的外形和結構功能設計來審判的，適用、經濟、便于施工是建筑結構設計的追求，建筑的藝術性是追求建筑的美觀、力度的美學、外型的總體效果、建筑的結構設計和建筑的藝術性完美的融合，只有這樣才能把建筑有限的空間無限擴大、有限的資源的最大發揮，實現建筑整體性的完美，建筑結構設計優化方法要遵循滿足建筑外型美觀要求、滿足建筑結構安全、合理的原則。

1 建筑結構優化設計的現實意義

隨著社會經濟的迅速發展，城市里突現的是鋼筋水泥的建筑，住宅越來越多，層數越來越高，成本明顯增高，要設法降低單位面積的成本，整體降低總成本，因此建筑結構的優化設計可以降低成本的總造價；由于建筑的層數增加，樓體結構自重相應增加，接踵而來的是水衛和點氣管線增長等一系列問題，因此建筑結構的優化可以提高建筑結構的經濟性。經過考證，結構優化之后要比傳統結構的工程造價低7%-35%左右，達到經濟高效的效果，又可實現建筑物美觀實用，在實際運用中，最合理的利用材料的性能，可以使建筑內部各單元得到最好的利用，在建筑整體造價和建設施工工期方面也有較為良好的貢獻，建筑結構優化的最終目的是實現適用、經濟和安全，實現經濟效益的最大化。

2 建筑結構優化設計應用的理論

建筑結構優化應用有兩方面的作用，一是在建筑分部結構的優化設計方面的作用，二是在房屋工程結構總體的優化設計方面的作用，兩者都有細分，例如結構總體的優化設計囊括了總體方案優化設計和細部結構方案的優化設計等，從另一方面講包含了形體結構選型、布置、機構體的受力分析、建筑整體造價分析等項目。在建筑結構優化的實際應用中，可以根據使用簡單、應用方便的原則，對建筑工程進行結構優化設計，在建筑結構設計過程中，要滿足設計意圖、平面布置規則、整體形態對稱原則、質量中心和剛度中心整體布局原則、建筑物水平荷載作用等一系列問題[1]，做到在理論上為實踐提供前提、提供理論基礎，做好準備工作。

3 建筑結構優化設計應用的方法簡介

3.1 做好建筑結構優化設計的函數模型

建筑結構優化要選擇主要參數，建立數學模型（函數模型），根據科學合理的方法，得出最優的答案，從而得出最合理的優化方案，結合建筑結構的規律和自身的實踐經驗，對各方面的影響因素進行全面的綜合考慮，找出行之有效的結構方案設計，模型的建立有兩個步驟[2]，一是選擇變量，即選擇影響較大的參數，減少計算編程的工作量；二是確定目標函數，例如房屋結構，確定房屋結構的約束條件，在既定的條件下得出最優解，這種設計方法具有一定的準確性，在實際的房屋建造中具有重要的參考作用。

3.2 做好建筑結構優化的方案設計

建筑結構優化方案設計是做好優化的前提，做好方案設計，設計多個變量、多個條件，編制相應的運算程序，得到最優結果。

4 建筑結構優化設計的實際應用

4.1 建筑場地的合理選擇

建筑的拔地而起需要選擇合理的建筑場地，在進行建筑場地選擇中要考慮很多因素，如防護距離、建筑退界、日照間距、抗震、地段選址等因素[3]，必要時選擇合理相應的抗震措施。

4.2 建筑主體結構的選擇

建筑結構的設計要遵循規則結構效應的原則，有利于降低造價，通過對墻、柱、梁的調節使不規則的建筑體型產生規則結構效應，例如剪力墻結構布置。需要進行優化設計的主要部分有很多，如基礎、墻、柱、梁、樓板、屋面板等，這些是建筑的主要構成部分，在基礎的優化設計中，選擇合理的基礎形式、控制好基礎的截面尺寸，相對減少基礎結構的造價費用，柱子的截面對工程的造價也有直接的影響；對于柱網布局和柱子截面的優化設計，確定好柱子的行間距，而柱網布局確定著竹子的行間距，因此柱網布局對工程的造價起著至關重要的作用；梁的設計，為了提高材料的利用率，在實際應用中一般都采用平面架來替代矩形梁，減輕了自身重量，經濟又實用；鋼筋的優化設計，在建筑結構的優化設計中，要對鋼筋的型號進行選擇，施工過程中鋼筋的型號不同，會造成施工的結果不同，如鋼管砼結構和鋼結構在自重和承載力相近時，前者比后者節約將近45%的鋼材，大大節約了工程成本。

4.3 初期方案階段和抗震設計的應用

對于建筑結構來說，前期方案的確定直接影響到最終建筑的成本投資，而目前的市場情況是前期的方案設計部分不參與結構優化設計，而且在前期的建筑方案設計中，很多沒有考慮到主體結構的分析或者對于部分分析不到位、不精準，作為一個合格的結構設計人，應該依靠自身所基本的結構概念去布置結構方案，結合建筑空間結構和結構模型概念以及函數模型來進行方案設計。因為運用概念設計方法，在初期方案的設計中，可以根據簡單的函數模型，估算出構件的截面面積[4]。建筑結構優化還要考慮最為重要的一點，就是建筑的抗震性，在建筑抗震設計過程中，大多數建筑結構的優化設計主要按照概念設計進行工作，而軟件計算并不是建筑結構優化的主要依據，建筑的使用過程中，抗震效果是居民考慮的一個重要問題，尤其在地震多發地帶，由此看來，建筑物的耐久性、安全性、功能性是建筑結構設計的三個重點內容，在節約成本以及達到規定年限的前提下，滿足抗震功能是重中之重。

5 總結

長期以來，建筑行業發展迅速尤其是近年來，從建筑資源的整合、低投入、高產出、體現建筑自身整體工藝性、美觀性、合理性綜合考慮，我們應充分做好建筑結構設計應用工作，結合實際抓到實現自我提升，從優化技術中進行技術分析，使各種建筑材料得到充分利用，節省工程造價，達到建筑工程設計標準，，滿足消費者的需求，采用科學創新的方法，研制出更多的優化設計方案，通過科學的方法使建筑結構更適合市場的可持續發展，響應國家綠色環保的政策。

參考文獻：

第8篇：工程結構優化設計范文

住宅建筑結構設計優化是要通過對擬建住宅進行模型的優化、計算方法的優化、并在計算和模擬的基礎上制定有效的結構方案，再進行驗證。

1.結構優化模型的建立

在進行結構優化設計的過程中首要的問題是要根據實際的結構特性設定成為相關的結構設計參數，主要的有目標控制參數和約束控制參數。對于那些變化范圍比較小的，且在結構的局部加強就能滿足要求的部分參數，將其確定為預設參數，從而減少計算的工作量；對于目標函數，是要找到一組可以滿足預定條件的鋼筋截面積和截面的幾何尺寸，目標是要讓總造價最小。對于約束控制函數，包括前度和穩定約束、截面尺寸約束、結構整體約束、構建單元約束、正常使用狀態的上下限約束條件等。參數的設計必須要與實際情況和規范相符。

2.結構優化設計的計算方法

在結構優化設計計算方案的確定上，考慮到建筑結構的復雜性帶來的變量多、約束條件多且非線性，因此在計算過程中，一般的做法是先將有約束的優化問題轉化為無約束條件再進行求解，可選用的計算方有拉式乘子法、復合形法等。結構選型、尺寸和參數設計完成后，在計算方案的基礎上設計優化程序。并在得到計算結果后，對結構進行綜合分析，最后確定最合理的結構優化設計方案。

二、住宅建筑結構設計優化的應用分析

建筑結構的優化設計要在保證建筑使用功能的條件下，利用結構優化設計技術達到提高結構安全度、降低工程造價、提高經濟性的效果，也就是要貫穿建筑的整體設計、前期規劃及抗震設計等階段。

1.結構優化設計的前期參與

建筑是相對長期的投資，常見的建筑使用年限均在50～100年間，這就要求結構能夠保證在設計使用年限內，建筑能夠保持基本的使用功能、良好的空間環境。因此，要在建筑方案設計初期就加入結構優化的考慮。這樣可以有效避免出現結構不合理、工程造價高等問題。也就是說，在建筑方案的設計初期就加入結構的優化設計，是提高建筑利用率的有效方法。

2.結構的概念優化設計

一幢建筑的完成，可以有不同的結構設計方案；另外，對于同一種結構布置方案，采用不同的結構荷載、材料和分析方法，參數的取值也是有較大區別的。這些是通過計算機無法實現的，需要結構設計人員作出合理的選擇，根據工程實踐經驗來進行參數的確定。通過概念優化設計，可以預算建筑結構在各種外力荷載的作用下的內力分布，以及將所有不利的荷載集中加載時可能出現的破壞形式等，如建筑結構在地震荷載作用下的破壞情況等，得到預算結果后，就可以作為結構設計的有利參考資料，采取有效的結構方案，選用有利的建筑材料和構造形式，從而降低剛度不均勻、結構的不對稱等對抗震不利的結構設計。因此，結構的概念優化設計在自然災害發生時，顯得尤為的重要。

三、結語

第9篇：工程結構優化設計范文

關鍵詞:建筑結構；優化設計；分析

中圖分類號：TU318 文獻標識碼：A

引言

建筑結構設計就是建筑結構設計人員對所要施工的建筑的表達。而建筑是人類物質生存環境的重要載體。近年來，節能環保型社會建設理念的不斷深入人心，進一步加劇了建筑的需求者與供應者對建筑結構優化設計的需要。建筑結構的優化設計，不但滿足了投資者控制建筑投資成本的目標，而且更加符合使用者對建筑本體功能的需求，從而實現了社會整體經濟效益的最大化。因此，建筑結構的優化設計，在市場經濟下的節能環保型社會越來越成為可行。

1 建筑結構優化設計的基本理論

結構優化設計不應僅僅在結構本身,而是應包括建筑的各方面,科學地確定建筑結構優化設計幾項基本原則并有效地按照這些基本原則去進行建筑結構設計,是非常重要的。建筑結構的優化設計主要體現在建筑工程的決策階段、設計階段、建設階段。在建筑工程的決策階段，確定結構優化設計所要達到的總體目標，滿足本體功能，最大程度保障安全性，縮減投資成本；在建筑工程的設計階段，確定每一個子系統及整體結構的優化布局；在建筑工程的建設階段，以結構優化設計為建設原則，組織建設好每一個子系統從而實現整體結構優化布局。決策階段結構優化選擇是關鍵，設計階段結構優化設計是核心，建設階段結構優化建設是基礎，3 個階段互相驗證、互為補充、缺一不可。建筑結構優化設計的基本要求:

（1）功能性

建筑是人類的基礎物質生存環境，建筑結構優化的終極目標就是為了滿足人類對物質生存環境的最大化需求。對功能性的滿足也不再局限于傳統的實用，而是增添了舒適性、美觀性、協調性等多種新元素，滿足人類對基礎物質生存環境的更高要求。

（2）安全性

建筑作為人類生存的基礎生存環境，與人類的生產、生活緊密相關，安全性成為建筑結構優化設計的必然考慮因素。一味追求建筑結構的優化設計，忽略決策階段、設計階段、建設階段的安全性，其作為建筑不但沒有任何實際意義，反而會給人類正常生產和生活帶來致命的危害。因此，安全性是結構優化設計中的必然考慮因素。

（3）經濟性

建筑結構優化設計的經濟性是市場經濟條件下對資源配置提出的新要求。經濟性是指通過建筑結構的優化設計，最大化的節約各種材料資源，達到減少建設成本的目標。另外，各種材料資源都存在一定的稀缺特性，建筑結構的優化設計能科學合理的減少材料的使用量，節省建設材料使用成本。

（4）環保性

建筑結構設計的環保性是繼經濟性之后的一大更高要求，建筑結構優化設計過程通過材料選用品種的環保、整體布局的環保來體現可持續的發展理念。在建筑資源的材料選用方面，在保證建筑本體功能性、安全性的基礎上，最大可能的選擇節能環保型材料，同時，在結構優化的整體布局中，不僅強調建筑主體內部結構的統一與環保，也包括建筑建設過程中廢舊材料的處理與應用，更不能忽略建筑未來使用過程中對環境產生的重要影響。另外，材料選用的環保、整體布局的環保也是結構優化設計過程中安全性的體現。

2 建筑結構優化設計的策略、安全與經濟

2.1結構優化設計中的材料選用

基于物理學與建筑學的基本原理，建筑結構各個點、線、面都呈現出一定的力學承載力特征，而力學承載力本身的載體就是材料，通過各種材料的配置，加強構件的強度、剛性與延展性，鋼筋混凝土材料的打造適應了這一趨勢。工程實踐證明，鋼筋混凝土的結構設計中，梁柱是主要的承受載體，打造鋼筋混凝土梁柱能局部提高梁柱的抗壓力。因此，在工程建設實踐中，采用高標號的鋼筋混凝土，可以減少梁柱等構件的橫截面，減輕結構本體的重量，同時也擴大了使用空間；而梁板以受彎為特性，采用高強度鋼筋，能科學合理的減少鋼筋的使用量。另外，結構建設者應科學合理的匹配鋼筋混凝土結構中鋼筋與混凝土的投放比例，最大限度發揮鋼筋混凝土復合材料的復合特殊性能，所以在高層建筑結構中，在結構的轉換層、受力復雜的銜接點部位與大跨度結構上，采用型鋼混凝土、預應力混凝土是比較好的選擇，同時保證高層建筑功能性、安全性、經濟性的最大化性能發揮。在建筑結構設計與建設過程中，存在非常多的鋼筋混凝土現澆板中混凝土標號過高的情況，一味追求高標號混凝土是沒有任何意義的，高標號的混凝土無法理想發揮其強度性能, 反而為抵抗高強混凝土較大的收縮變形和滿足最小配筋率要求,板中鋼筋的配筋量卻相繼增加, 直接導致鋼筋的使用量增加，間接影響工程投資成本的提高。

2.2 結構優化設計中的構件布置

建筑結構優化設計中的構件布置主要涉及梁、柱子、剪力墻的布置與設計。目前，高層建筑的結構設計大多采用框架- 剪力墻結構體系, 這種體系由鋼筋混凝土框架和鋼筋混凝土剪力墻2 部分組成,框架的梁柱為剛接,框架與剪力墻可為剛接,也可為鉸接。高層建筑體日趨復雜,各種不同功能的建筑用房綜合在一起,組成形態各異的高層建筑,給建筑結構優化設計增加了一定的難度。而框架- 剪力墻結構體系具有靈活組成使用空間的優點, 比較容易滿足建筑物的使用要求, 而且框架- 剪力墻結構體系有較高的承載力,較好的延伸性和整體性,并且具備很強的吸收地震力的能力, 從而大大減小了結構本身的側移。因此，在建筑結構優化設計的實踐過程中，在框架-剪力墻結構設計中,剪力墻剛度的確定除了必須滿足強度條件外, 還必須使結構具有一定的側向剛度。基于此,剪力墻剛度的大小將直接影響到結構的安全性及工程造價成本。另外，在框架- 剪力墻結構初步設計階段,簡捷、準確地確定框剪結構中剪力墻最優數量,即可避免重復、繁瑣的結構剛度調整計算,還可以達到減少經濟成本的目標。

梁的選用與布置。常規梁經濟性最好,但嚴重影響建筑層高，尤其是在目前土地資源有限的情況下，最終還是無法實現社會整體經濟效益的最大化；寬扁梁能減少梁的截面高度,增加建筑物的凈高。在建筑物總高度限制的情況下,可以增加層數,以獲得更多的建筑面積。但寬扁梁在經濟指標上與常規梁相比并不是最優,由于y 方向截面高度減小,使得縱向鋼筋的配筋率較高,同時撓度偏大。在跨度進一步加大的情況下,也可采用預應力梁,以滿足建筑物的特殊要求,但費用較高。此外，高層建筑框架柱截面大小主要由軸壓比控制, 在上部軸力一定的情況下,可以通過加大柱截面、提高混凝土設計強度、加大柱箍筋、采用鋼混凝土柱等不同方法來控制柱軸壓比，最大化程度保證功能性與安全性。

2.3 結構優化設計中的整體布局

為實現這些目標，建筑結構決策者與設計者須從結構優化設計的全局觀念出發，利用結構設計中的點、線、面，確定建筑結構設計的總體布局，處理好點、線、面之間的架構關系，借助于材料的選用、構件的布置，充分發揮單個構件與整體結構的配合與協調，使之能實現最佳受力狀況，既實現整體結構良好的承重力、剛性與延展性，也實現單個構件的最大化與最佳化利用，保證達到建筑設計的國家質量標準，實現建筑功能性、安全性與經濟性的多重目標。