本篇中級工程師論文研究工程結構優化設計理論，在結構優化設計中，首先應參與到建筑師前期的方案設計中，合理確定建筑形體，在確定好建筑形體后，結構設計師應選擇合理的結構體系，布置出合理的結構方案，確定合理簡化的計算模型、分析方法和抗震性能化設計目標，借助必要的計算軟件，優化結構投資方向，使結構設計做到既安全可靠，又經濟合理。

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　　摘要：與傳統的建筑結構設計相比較，結構設計優化不僅能夠降低建筑造價，而且通過優化結構投資方向，提高關鍵結構部位或構件的安全度、延性和韌性，從而提高整個建筑物的安全度。通過這種有的放矢的優化設計，使整個建筑物的土建投資有效利用率大大提高

　　關鍵詞：結構優化 設計 理念

　　結構優化設計，能大大減少建筑造價并提高結構的安全度。設計單位在進行結構設計的時候，在建筑功能需求得到滿足和遵循相關規范和規程的前提下，應綜合考慮施工的可行性、施工進度和投資造價以及結構安全性等諸多要素，合理優化結構投資方向，使結構設計成為一項系統工程，做到設計成果既安全可靠，又經濟合理。

　　一、建筑結構優化設計的意義

　　進行結構設計優化的原因概括起來有以下幾方面：

　　1、鋼筋混凝土和砌體等常用建筑材料的費用構成了結構成本的絕大部分，而這一部分成本通長占到結構主體造價的40%以上，通過結構優化設計能夠將建筑工程的總造價減少10%~35% 。對于一個大型的工程來說，這將是一筆不菲的費用，并且結構的安全度也得到了提高，因此結構優化有助于建設方減少投資，增加利潤和提高資金周轉率，其經濟價值巨大。

　　2、據統計設計責任是造成建筑工程質量事故的主要原因，占據了大約40%的比例。現階段各設計單位設計水平良莠不齊，設計質量差導致施工停工或返工的現象時有發生。有些設計單位缺乏成本意識，算不清就多配鋼筋，造成有些關鍵構件的設計反倒偏于不安全，這些現象有的造成了資源和成本的浪費，有的對建筑工程留下了潛在的危險。因此進行合理的結構優化設計，能夠幫助業主提高設計質量并消除不必要的質量缺陷和工程風險，同時在減少不必要投資的前提下獲得高品質的建筑，也符合創建節能、安定型社會的宗旨。

　　3、隨著國家宏觀調控力度的加大和原材料價格的上漲，通過銷售獲得利潤的空間被大大壓縮，從內部挖掘潛力，節約成本成為企業贏利的重要手段，科學合理的節約成本能夠提高企業的盈利率和生存能力。在這方面一些意識超前的業內知名企業，如萬科、金地以及諸多國際公司已經率先垂范。

　　二、建筑結構設計優化方法的應用及實踐價值

　　1、結構設計優化方法的應用

　　結構設計的優化主要在兩個方面進行應用，一方面是在建筑工程的結構總體上的優化設計，這主要包括結構體系和結構選型，具體是指房屋的結構類型、房屋的高寬比、長寬比、房屋的結構材料等。另一方面就是結構工程分項部分的優化設計，這主要包括基礎結構方案的優化設計、屋蓋系統方案的優化設計、圍護結構方案的優化設計和結構細部設計的優化設計。對于這些方面的設計我們需要在結構選型、受力分析、造價分析上進行研究，并在滿足整個設計規范以及建筑實用需求的前提下，對整個建筑的實際情況進行優化，以降低建筑成本，提升經濟效益為目標，進行結構上的優化。

　　2、結構設計優化方法的實踐價值

　　與傳統的建筑結構設計相比較，結構設計優化不僅能夠降低建筑造價，而且通過優化結構投資方向，提高關鍵結構部位或構件的安全度、延性和韌性，從而提高整個建筑物的安全度。通過這種有的放矢的優化設計，使整個建筑物的土建投資有效利用率大大提高。

　　三、建筑結構優化設計的內容

　　1、建筑結構抗震設計的優化

　　盡可能設置多道抗震防線，一個良好的抗震建筑，應該由多個抗震延性良好的結構分體系組成，而且各個結構分體系應該能夠有效地協同工作。

　　一次強烈地震后往往伴隨著多次余震,一棟抗震良好的建筑物，在經受主震和余震后，要求能夠保證“小震不壞、中震可修和大震不壞”，這是基本要求。如果要設計延性更高的建筑物需要根據其抗震設防類別、設防烈度、場地條件、結構類型和不規則性，建筑使用功能和附屬設施的功能要求、投資大小、震后損失和修復難易程度等，對選定的抗震性能目標提出技術和經濟可行性綜合分析、論證和優化設計。

　　建筑結構的抗震性能化優化設計，應根據實際需要和可能，具有針對性：可分別選定針對整個結構、結構的局部部位或關鍵部位、結構的關鍵部件、重要構件、次要構件以及建筑構件和機電設備支座的性能目標。

　　建筑結構抗震優化設計應遵循以下原則：1.分析模型應正確、合理地反映地震作用的傳遞途徑和樓蓋在不同地震動水準下是否整體或分塊處于彈性工作狀態;2.彈性分析可采用線性方法，彈塑性分析可根據性能目標所預期的結構彈塑性狀態，分別采用增加阻尼的等效線性化以及靜力或動力非線性分析方法;3.結構非線性分析模型相對于彈性分析模型可有所簡化，但二者在多遇地震下的線性分析結果應基本一致;應計入重力二階效應、合理確定彈塑性參數，應根據構件的實際截面、配筋等計算承載力，可通過與理想彈性假定計算結果的對比分析，著重發現構件可能破壞的部位及其彈塑性變形程度。

　　2、建筑形體、結構體系和結構規則性的優化

　　建筑形體從根本上決定了建筑物的安全性和經濟性，必須根據建筑形體合理確定結構體系，一般說來合理的結構體系應具有以下特點：(1)具有明確的計算簡圖和合理的傳力路徑;(2)不會因部分結構或構件破壞而導致整個結構喪失抗震能力或對重力荷載的承載能力;(3)具備必要的抗震承載力，良好的變形能力和消耗地震能量的能力;(4)對結構可能出現的薄弱部位，做出合理的優化設計，提高其抗震能力;(5)具有多道抗震防線;(6)具有合理的剛度和承載力分布，避免產生應力集中或塑性變形集中;(7)結構在兩個主軸方向的動力特性相近。

　　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和經濟和理性的影響，擇優選擇規則的形體，其抗側力構件的平面布置宜規則對稱、側向剛度沿豎向宜均勻變、豎向抗側力構件的截面尺寸和材料強度宜自下而上逐漸減少、避免側向剛度和承載力的突變。體型復雜、平立面不規則的建筑，應根據不規則程度、地基基礎條件和技術經濟等因素合理確定防震縫。

　　建筑形體應盡量避免或減少平面不規則(包括扭轉不規則、凹凸不規則、樓板局部不連續)、豎向不規則(側向剛度不規則、豎向抗側力構件不連續、樓層承載力突變)。

　　3、建筑結構的優化設計和分析計算方法。

　　建筑形體及其構件布置不規則時，應盡量采用空間結構計算模型;凹凸不規則或樓板局部不連續時，應盡量采用符合樓板平面內實際剛度變化的計算模型，必要時宜計入樓板局部不連續的影響。

　　建筑結構的分析方法有很多種，包括彈性靜力法、動力彈性分析法、靜力彈塑性分析法、動力彈塑性分析法等，一般來說建筑結構的變形和內力可按彈性方法計算，框架梁及連梁等構件可考慮塑性變形引起的內力重分布。建筑結構的計算模型應根據結構實際情況確定，所選取的分析模型應能較準確地反映結構中各構件的實際受力狀況。建筑結構分析，一般情況下選用的是平面結構空間協同，空間桿系，空間桿-薄壁桿系空間桿-墻板元等計算模型進行整體計算。然而設計中經常將跨高比很小的轉換梁，墻體連梁等構件模擬成了空間桿模型，這樣會導致計算結果的不合理。因此，對于一些不符合桿系特征的構件在設計中采用有限元法來進行輔助分析，同時由于計算模型無法對一些復雜構件的節點進行真實的模擬，也可采用有限元法來進行節點的分析。

　　四、結構優化設計在建筑設計中的應用

　　結構優化設計中，結構概念設計是其中最重要的一條，結構概念設計應滲透到建筑前期方案設計和結構全程設計中。合理地進行建筑物的抗震設計是概念設計的一項重要內容。在建筑設計過程中應該從多方面采取措施來提高其抗震承載能力,例如建筑方案盡量采用合理的建筑形體，避免或減少建筑物的不規則性，結構方案采用合理的結構體系和分析手段，盡量避免剛度和承載力突變。