第一篇：建筑结构设计阶段优化方法分析
摘要:介绍了概念设计的主要内容，从结构布置、构件截面、地基基础、构造措施等方面，阐述了建筑结构概念设计的优化方案，旨在充分发挥各结构构件的功能，使建筑结构设计符合相关规范要求。
关键词:建筑结构，概念设计，地基基础，结构布置
引言
建筑结构优化的方法以及原理有两类:一类是数学规划法，借助于极值原理的概念，将相应的参数进行优化设计，找出最优参数;另一类是准则法，从结构力学的角度进行优化。两种方法各有优缺点，其中数学规划法有严格的理论依据作为设计的支撑，适应性比较好;缺点是求解速度比较慢，而且由于严格理论的存在求解会受到一部分限制［1］。而准则法的优点是优化时间相对较短，不影响重新分析的次数以及不涉及变量参数数量的变化，优化次数为10次左右就可以满足结构优化的任务［2］;缺点是没有严格的理论依据作为支撑，因此在实际中，一般认为是最接近理想状态的优化结果，但不是真正的最佳结果。在国内外对于准则法的不断优化中，逐渐对其进行改进，目前可以优化的结构问题中，变量的数量可高达上百万个，优化的范围比较广泛。两种方法不断发展，互相弥补缺点形成一种新的方法，就是逼近概念法，结合了准则以及数学规划法，一方面有严格理论作为优化的基础，同时还具有不断逼近的功能，从而进行简化优化，然后用迭代法进行求解，最终得到优化解，达到结构优化的目的。截面优化问题中桁架的问题就使用该方法，设计变量取为桁架截面面积的倒数，然后进行结构设计的优化。数学规划由于存在理论基础，可以与有限元软件进行结合求解，使得数学规划法的应用更为流行，随着结构优化的不断发展以及应用过程中存在的问题，已经不再是最初只能满足简单要求的优化法，现在说的结构优化是需要在系统上的优化及多目标优化、高层次的优化［3］。建筑结构设计的工作很复杂，最基本的两项任务是设计需要实现的功能，以及实现功能后结构的可靠性以及安全性问题，另一项工作是在设计的时候考虑工程的造价问题，满足结构的各项功能指标的同时费用的控制也是很重要的［4］。
1概念优化设计
建筑结构设计中，计算机的应用提供了方便性，使得结构设计的高度逐渐上升，结构设计人员对于繁复的计算工作不再进行手算，通过输入计算机中，经过有效地计算得出相应的结果。结构设计人员需要做的就是扎实的理论依据，以及丰富自己的经验，重点放在一些传统问题中比较棘手而且难以解决的问题，通过自己的分析以及经验对于问题得到更加合理的答案，从而使得设计方案更加的适用、合理以及经济，因此设计者的时间大多放在概念设计上。概念设计的一整套流程就是设计人员首先从最初关于结构的信息(选型、布置、分析以及计算)等方面着手，然后解决遇到的问题，根据不同工作的规律以及流程，结合相关的经验以及因素，对问题进行解决、分析以及处理，最终确定合理的方案。建筑设计方案一般结构布置方式有很多种，因此确定结构的布置方式是首要任务，一旦确定了结构的布置方式，接下来考虑的是受力荷载分析，荷载的分布以及受力同样需要进行选取以及确定;然后是建筑物关于细部的处理。在应用计算机进行处理的时候，上述工作是无法通过计算机单独完成的，需要设计人员的协助以及确认，根据自己在设计领域的专业知识以及经验进行判断。这些判断不依赖于计算机，靠的就是工程设计人员的理论基础以及经验，即所谓的概念设计。概念设计中会出现很多问题需要解决，然后考虑在建筑物投入运行中可能受到的各种不利因素以及破坏力，这些都是概念设计的主要内容，因此在实际设计过程中要重视概念设计。
2结构布置的概念设计
结构布置涉及受力，因此要从全局出发，综合抗震设计的基本原则，对于不必要的内耗问题要尽可能地降低，对于结构的刚度突变和扭转效应尽可能的减小，让构件的功能尽可能的充分发挥，尽其所能［5］。在跟建筑师交底的基础上，对建筑物整体结构的布置和选型要充分考虑后再做决定。建筑师的要求是满足外观上的独特，以表达他的思维以及艺术的品味和判断，而对于结构工程师来说结构受力安全可靠才是最重要的，但是同时满足建筑师的要求，设计新的结构受力形式使得建筑师的设计得以实现。结构上一般对于简单的低层以及多层结构都是很容易满足的，其受力并不复杂，但是对于高层结构的设计，在建筑师表达自己的想法时，会出现与结构工程师脱节的情况，因此在与建筑师交底的过程中，结构师应该介入荷载的平面布置以及竖向布置，使得两者的要求皆可满足［6］。建筑设计方案的完成标志着下一项工作的开始，结构方案的选择，每个构件都需要考虑受力，其中包括可预见的受力情况以及不可预见的受力情况。竖向构件的受力包括竖向荷载的传递以及风和地震荷载的作用，随着气温的变化，还会产生温度应力，因此对于竖向构置的部件，其位置要有利于温度应力以及水平荷载的承受。水平承重构件的布置同样要考虑一系列因素，首先要传力路径简单明了，荷载的传递要迅速，即采取最方便快捷的方式进行，最后传递到基础或者地基上［7］，不合理的结构布置，会使得力的传递经过多层次，将原本简单的受力变复杂，最后传递到基础上去。然后是结构构件的尺寸大小的确定，一般先按照经验进行选取，具体的大小根据相关的理论进行选择。
3构件截面的概念设计
构件截面的设计，通过截面控制内力对构件进行正、斜截面的计算，然后进行配筋处理，概念设计在此处的应用最广而且也最重要，得出钢筋量后，钢筋的配筋方式也是很多种，不同构件以及同一构件的不同位置也是不同的，综合考虑各种因素后进行确定。
4地基基础的概念设计
对于地基来说不确定因素很多，其中地基土就是一个，不同地区存在较大差异，而且目前为止，没有确定的模型供选择进行模拟计算，这同样需要设计人员的理论基础以及经验进行确定，对可能出现的问题以及因素进行分析和预测，之后对应对方案进行选取，找出最佳方案。结构设计最常用的方法就是独立计算，将地基、基础以及上部结构分别进行力学计算和分析，这种计算方法的缺点就是跟实际脱离比较大，其实缘由很容易解释，就是在进行力学性能计算的时候，整个结构是连带关系，上部结构的受力必然会影响下部结构的受力，但是理论计算的时候的相分离策略忽略了这一点，造成了较大的数值差距。这就要求设计人员具备扎实的理论依据，构件之间的受力联系以及荷载的传递有较高深的理论依据，综合各项因素，各个角度得出最佳方案。
5构造措施的概念设计
结构设计完全依靠理论得出的设计方案在实际中存在较多问题，甚至对于荷载的承受能力不足，不能满足耐久性以及可靠性要求，特别是发生地震等非常见的荷载作用，结构会发生较大的破坏，完全失去承载能力，为了防止此类事件的发生，一般会进行构造措施的设计。有经验的设计人员提出的解决方案就是使用一部分对抗震有利的构件，提高结构的整体性以及延性。
6结语
概念设计的内容包含太多，而且需要设计人员从主观层面上进行各种理论的分析以及计算，合理的方案才能形成。通俗说法就是设计人员根据自己的经验以及相关的理论进行结构优化设计从而确定最佳方案。对于结构优化的深度性以及优化的正确性完全依据设计人员的专业素养，尤其是解决实际问题的能力，更是依靠从事设计工作设计经验的累积程度。
作者：孙志勇 单位：山西省人防建筑设计研究院
第二篇：建筑结构设计的概念设计及优化
摘要：对目前建筑来讲，建筑不仅要具有使用价值，还要具备一定的美观性。因此，概念设计及其优化对建筑有着十分重要的意义，通过概念设计能够使得建筑的结构更加完美，其造价也会更低，建筑的安全性能也会更加完善。本文主要介绍了建筑结构概念设计的主要涵义及其地位，并且分析了建筑结构中，钢筋结构的概念设计优化方法。
关键词：建筑；结构设计；房屋结构；优化方法
引言
在建筑设计过程中，概念设计及其优化十分重要。良好的设计是建筑工程的前提，而概念设计则是工程建设中体现先进思想及文化的重要关键。作为一名优秀的设计师，在进行建筑设计时不仅要依靠自身的经验，还要能够熟练运用整体概念的设计方法将建筑的本身和外部环境相互结合，最终使得所有的研究方案能够融合在一起，并且能够熟练的将地理环境及结构联系在一起，不断丰富自己的设计知识和概念，能够独立的、有意识地、灵活的运用，只有这样才能将概念设计在建筑机构的设计中进行完美应用。
1建筑结构概念设计的涵义及地位
1.1建筑结构概念设计的涵义建筑结构的概念设计是指设计师根据建筑要求进行相应设计，并运用一系列的设计方法将建筑有序的、有组织的、有目标的进行设计，使客户对建筑感到满意。建筑概念设计主要以功能卓越、造型美观、技术先进为总体目标，通常情况下建筑方面的概念设计分为概念设计和结构设计，这两者相互影响、相互结合。1.2建筑结构概念设计的地位建筑结构概念设计形成的产品是早于建筑初步设计的整体规划方案，并且为建筑的总体设计提供了规划方案，为设计总体方案提供了总体格局和基本框架，并且为规划、施工、环境等提供了一系列设计方案。在实际工程中，概念设计要早于初步设计，早于建筑施工，所以概念设计在实际施工中通常占有领导地位，并且是整个工程的灵魂。在建筑施工中起到重要协调作用、检验计算、优化设计方案等。因此，建筑结构概念设计在整个建筑中具有重要地位。
2建筑结构设计中的概念设计与优化方法
在进行建筑设计时，需要对建筑结构中的柱、梁、索等进行概念设计，并且还要针对其设计进行优化，以便进一步提高建筑结构的质量及其稳定性，提高抗震能力，从而减少其受力变形。因此，在进行建筑结构总体设计时应当从总体出发，并适当掌握建筑自身结构、空间结构、建筑与环境形成的结构，最终才能使得建筑结构在安全适用基础上将整体性能提升。2.1协同工作概念协同工作现如今已经广泛运用在整个工业产品的设计与制造之中，协同工作的目的是使内部结构体系进行有效高效的优化配合，并达到其设计寿命。在如今阶段，轻型钢结构已经广泛运用在协同工作案例中。轻型钢结构的特点是质量较轻、成本低廉、施工进程较快、施工环境影响较小、抗变形能力强，抗震效果好等，基于这些优点轻型钢在工业中应用较广。因为轻型钢的物理性能较好，尤其是其抗拉强度比普通混凝土的强度要高出1/4，并且轻型钢不易产生裂缝，在建筑结构中的结构性较强。除此之外，钢结构具有良好的塑性变形性能，当钢结构在受到某种外力的冲击时，能够为人员的撤离提供安全。因此，协同工作的概念下的轻型钢结构更能发挥出色。例如，某钢结构的建筑，其设计是门式轻型钢结构，该厂房的总跨度为36m，长度为100m，柱柜为19m，屋面的坡度为15：1，厂房设计使用年限为50年，抗震设防烈度为Ⅸ度。在应用概念设计时：①明确门式轻型钢结构厂房的各部件最大使用载荷，为了使各部件的稳定性更好，需要保证厂房在使用寿命期限之内使用。单层厂房通常由横向框架、屋盖钢结构以及各种墙体构成。在某些单层厂房中，还可能设有工作平台。②针对结构进行有效的受力分析，进一步确保同层各支撑柱在同一水平上，最后能够达到最大承载力。2.2优化方法2.2.1结构设计优化应注意前期参与在工程前期，方案的制定直接影响工程的造价，通常情况下，结构的设计忽略了这一点，所以在设计时应该考虑到这些。2.2.2概念设计结合细部结构设计优化在进行设计时，如果没有具体的参考数据时，我们可以考虑概念设计。比如，在进行地震烈度进行防护时，由于地震的产生是一种不确定的因素，因此，我们在进行防护时应该采用概念设计的方法来解决这一问题。在设计过程中，将概念设计的参考数值作为相应的参考数据。与此同时，相关设计人员应该合理的将概念结构进行优化，最终达到理想的效果。在进行设计的过程中，必须针对结构的细部进行设计优化，例如，在进行现浇混凝土时，在混凝土拐弯地方容易发生开裂，因此我们可以选择钢筋，在满足结构的要求下，还能达到安全经济的目的。2.2.3下部地基基础结构的设计优化在进行地基基础的结构优化设计时，方案的选择必须正确，例如可以根据工地所处的环境选择相应的桩基类型，进一步减少施工成本。根据桩端的持力层进行合理的选择灌注桩的大小，通过多种方案的选择与比较，最终择取最优方案。
3结构设计优化技术在建筑结构设计中的步骤
3.1建立结构优化的模型在进行房屋结构整体优化设计时，大致可分为三个步骤进行优化，下面是每一步的具体介绍：3.1.1要对设计变量进行合理的选择通常情况下对设计变量进行选择时，应该适当考虑把建筑结构的影响作为主要设计变量。例如，进行目标控制的相关数据（损失的期望值C2和结构造价C2）及约束控制相关参数（结构的可靠度等）；除此以外，还有一些影响较小，变化范围较小或者由局部性以及结构的相关要求就能够满足设计要求的一些数据，设计时可利用预订数据进行表示，使得设计量、计算量及编程工作量进一步减少。3.1.2对目标函数进行确定在进行结构优化时，应该尽可能的找出一组能够满足预定条件截面积的一些数据参数，尽可能的使工程造价减少。3.1.3对约束条件进行确定对房屋的设计优化来说，确保结构的可靠度是优化相关设计的重中之重，设计优化条件时应该包括裂缝宽度约束、结构强度约束、尺寸约束、构件单元约束、应力约束、结构体系约束、从可靠指标约束到确定性约束条件以及从正常使用极限状态下的弹性约束到最终极限状态的弹塑性约束等约束条件的设计。在进行结构的设计时应该对目标约束条件进行充分的分析与比较，最终确定约束条件的可行性，实现最终设计（见图1）。3.2对优化设计的计算方案进行设定进行可靠度的房屋结构优化设计具有多约束且非线性的优化优化问题且具有多重性。在实际分析计算中，通常情况下是将约束问题转化为无约束的问题之后再进行求解。通常使用的优化方法有拉式变量法、复合形法等。3.3进行程序的相关设计根据可靠度进行房屋的优化设计的设计模型以及优化设计的方法可以编制出一个运算速度极快的应用程序。3.4结果分析①必须针对对相应的计算结果进行相应的分析比较。②选择出最优的设计方案。进行选择的过程中，应当充分考虑问题，并且针对发现的问题进行多方面的考虑。结果的分析在建筑结构的优化中其中重要作用。正确的选择设计方案不仅使得结构外表美观，而且还能使建筑的结构更加坚固，安全性能更好。4结束语概念设计及其优化分析在建筑结构中的正确应用，不仅使得建筑结构承载能力增强，而且使其安全性能得到更高的提升，其使用寿命也会不断增加。建筑结构与周围环境的相互结合，进一步提高了建筑使用寿命的使用价值。因此，在建筑结构中应用概念设计及优化措施是十分重要的。
参考文献
[1]张央迪.建筑结构设计中的概念设计及结构措施略论[J].科技与企业，2015.
[2]朱蔚惠.建筑结构设计中的概念设计与结构措施[J].科技创新与应用，2014.
[3]邹俊.建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的现实应用[J].科技传播，2010（10）：01.
[4]郑智垚，乐肖军.结构设计优化设计技术与其在房屋结构设计中的应用[J].中国新技术新产品，2013（02）：05.
作者：杨国东 单位：广东福银预应力新技术发展有限公司南昌分公司
第三篇：建筑工程混凝土框架结构设计方案
摘要：建筑工程安全性能的增强，依赖于可靠的混凝土结构框架。采取不同设计思路制定出符合建筑工程建设需要的混凝土框架结构时，实际产生的作用效果有所差异。因此，需要设计人员结合建筑工程的具体要求及混凝土结构特性，选择可靠的设计方案增强这种框架结构的合理科学性。基于此，本文将对建筑工程混凝土框架结构设计方案的应用效果进行必要地分析，进而为建筑工程结构稳定性的增强及建设成本的有效控制提供可靠地保障。
关键词：建筑工程；混凝土框架结构；设计方案；结构特性；设计思路
结合现阶段我国建筑工程的整体发展现状，可知其中的混凝土框架结构稳定性能否满足行业抗震等级的具体要求，关系着建筑工程的安全可靠性，影响着建筑物后期的实际应用效果。因此，需要采取有效的结构设计方案优化建筑工程混凝土框架结构，增强混凝土结构稳定性的同时有利于延长建筑工程的使用寿命，为人们创造出良好的居住环境。
1建筑工程钢筋混凝土框架结构抗震等级的相关内容
建筑工程施工计划开展中混凝土框架结构抗震等级的确定，为评估建筑工程的安全性能带来了重要的参考信息，有利于优化建筑工程结构，延长建筑物的使用寿命。影响建筑工程抗震性能的主要因素包括：①建筑工程的类型。对于占地面积较大的建筑工程，实际应用中受到地震作用的影响大，对应的房屋侧移也会加大；②随着建筑工程高度的最佳，楼层层数的增多，实际应用中受到地震破坏性的几率大，对应的房屋侧移也会加大；③随着地震级别的增加，建筑工程结构稳定性受到的威胁也会相应的增加，建筑区域内的不安全因素增多；④水平地震的作用明显时，建筑工程结构的安全可靠性要求高，将会加大房屋侧移发生的几率。这些方面的不同内容，客观地说明了不同影响因素对于建筑工程抗震性能所造成的威胁，客观地决定了优化建筑结构抗震性能设计方案的重要性。
2不同建筑工程混凝土框架结构设计方案的对比和分析
在延性抗震理念的影响下，采取可靠的混凝土结构设计方案，关系着建筑工程的潜在价值及安全性能。因此，需要对不同钢筋混凝土框架结构设计方案作用下的建筑工程抗震性能进行综合地评估，进而确定出最佳的设计方案，完善现代化建筑工程的服务功能。
2.1合理的抗震规范设计方案
结构构件在地震作用下的破坏程度与结构的位移响应及构件的变形能力有关，可以用位移控制结构的大震，这就是基于位移的抗震设计。新西兰的抗震规范是用位移延性系数作为位移指标，量化地考察结构的延性，对结构的抗震能力进行设计。这种设计方法是针对主抗侧力体系，选择合理的耗能机制，并根据耗能机制选取一定数量的耗能构件，通过这些构件在大震下屈服来耗散施加在结构上的地震能量；而体系其他部分还具有充足的强度储备，并维持在弹性或准弹性阶段。在合理的抗震规范设计方案作用下，可以对某些耗能构建的延性要求进行必要地分析，确保建筑工程混凝土结构框架的弹性阶段能够在可靠的规范设计方案支持下，完善工程结构的抗震性能，促使建筑工程的整体结构在长期的应用中处于稳定的工作状态，优化建筑工程服务功能的同时为人们创造出良好的居住环境。利用抗震规范的相关内容完善混凝土框架结构的设计方案时，设计人员需要对这些规范内容有着必要地了解，尤其是在不同抗震级别对建筑工程安全性能的影响方面。相关的研究报告指出，采用延性抗震设计方案时，建筑工程的混凝土框架结构实际应用中产生的变形量效果，建筑结构的整体稳定性良好，最大限度地提升了建筑工程的潜在价值，具有良好的市场应用前景。
2.2建筑结构的能力设计方案
由于不同建筑结构的塑性分布有着一定的差异性，需要在相关机制的延性要求下优化建筑工程的钢筋混凝土结构，促使这些结构在具体的应用中能够满足建筑工程的抗压要求，为建筑工程使用寿命的延长提供可靠地保障。混凝土框架结构作用下的梁、柱的延性可以通过其截面塑性塑性铰的转动能力进行有效地评估，进而对建筑结构混凝土框架结构设计中相关构件塑性铰变形的有效控制提供必要的参考依据。满足这种设计方案的具体要求，主要依赖于建筑结构的能力设计法。它通过利用弹性分析方法，可以对建筑结构处于弹性力影响下的结构稳定性进行必要地分析，进而对其中某些技术指标进行一定的调整。确保结构内力的分布均匀性。采用建筑结构的能力设计方案时，在混凝土框架结构设计中某些构件的静力屈服机制有着良好的感应，但对地震作用明显时的构件实际的屈服机制无法真实地反应，对建筑工程混凝土框架结构设计方案的完善造成了一定的影响。
2.3建筑结构的能力设计方案与抗震规范设计方案的对比分析
采用建筑结构的能力设计方案时，实际产生的作用效果与抗震规范设计方案应用中的作用效果的有所差异。具体表现在：①对于建筑工程标准层相关结构的配筋设置中，采用建筑结构的能力设计方案将会使行间之间的配筋量差异性明显，而采用抗震规范设计时不会出现这样的问题；②在建筑结构柱的横向配筋设计中，运用抗震规范设计法能够减少配筋量；采用建筑结构的能力设计方案时，将会增加配筋使用量；③运用抗震规范设计方案时，将会优化边跨梁下端配筋的整体布局，而采用建筑结构能力方剂方案时由于对配筋量数量要求多，间接地增加了建筑结构的抗压性能，实际的作用效果显著。
3结束语
完善建筑工程混凝土框架结构设计方案，采取有效的设计方法消除其中可能存在的安全问题，有利于提升建筑物的潜在价值，为人们创造出良好的居住环境，加快现代化建筑企业的建设步伐。文中从不同的方面对建筑工程混凝土框架结构的相关内容进行了必要地阐述，客观地说明了选择合理的混凝土框架结构对于建筑工程抗震性能增强的重要性。在确定最佳的混凝土框架结构时，设计人员需要从不同的方面对方案的可行性及经济性进行综合地评估，逐步完善建筑工程的服务功能。
参考文献
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作者：向志军 单位：广州智海建筑设计有限公司东莞分公司
