結構設計的優化范文
前言：我們精心挑選了數篇優質結構設計的優化文章，供您閱讀參考。期待這些文章能為您帶來啟發，助您在寫作的道路上更上一層樓。
第1篇
隨著我國改革開發的進一步發展，全國人民的生活都步入了小康時代。越來越多的人對物質生活要求也越來越高了，許多人都住進了高樓大廈。人口的繼續增長，使得建筑物越來越多，而土地資源有限，這樣導致土地價格越來越高，從而導致了建筑商的建筑成本也越來越高。降低建筑成本是建筑商首先考慮的方法，那么如何控制建筑成本呢？結構優化設計思想是目前國內外比較有價值的一套理論系統。運用該理論方法，實現人民對于居住環境和生活環境的改善，提高建筑產品的質量與品味，滿足小康社會人們對新生活的需求，同時降低工程建筑的造價成本，實現建筑商利潤最大化的目標，這具有適用、經濟、實用的價值。
1優化的結構設計方法
社會上的建筑物都很令人賞心悅目給人以美的享受，這是結構設計與建筑實施技術相互協調、密切配合，從而達到美觀效果的結果
建筑結構設計我們都追求安全、適用、經濟、美觀、施工簡單等五種目標。文中的結構設計優化，能實現建筑設計技術優化的目的，能應用于實踐，它不但滿足了人們對建筑美觀、造型優美的要求，又能使房屋的結構設計合理、性能安全、建筑成本經濟，成為名副其實的“經濟適用”建筑。結構設計優化方法從建筑上來分析，它主要體現在優化設計的建筑工程結構和建筑工程結構的總體優化設計兩個方面。
第一個方面：建筑模型的優化結構設計方法。
一項大的建筑工程，先設計建筑模型，那么建筑模型的優化是十分必要的。建筑工程的結構優化設計主要包括：基礎結構方案的優化
設計、圍護結構方案的優化設計、屋蓋系統方案的優化設計和結構細部設計的優化設計。除此之外，還需要做選型、布置、受力分析、造價分析等內容的優化設計。所有這些設計，都按照一切從實際出發的原則來進行，根據工程的具體實際情況，圍繞房屋建筑的綜合經濟效益的目標進行結構優化設計。在進行結構設計時，首先要滿足設計意圖后，盡量使平面布置規則，縮小剛度和質量中心的差異，這樣可以避免水平荷載與建筑物中太大的扭轉作用力。在豎直方向上應避開使用轉換層，減少應力集中現象。
房屋結構可靠度優化設計的約束條件，包括了應力約束、裂縫寬度約束、結構強度約束、尺寸約束、從正常時的極限狀態下彈性約束到終極狀態的彈塑性約束、從可靠指標約束到確定性約束條件等。在設計中，我們要保證各約束條件必須符合現行規范的要求。
第二個方面：建筑模型的優化結構設計的 計算方案。
完成計算方案的設定后只需編制相應適用的運算程序即可得到我們的最終優化結果。然而，結構設計的優化涉及到多個變量、多個約束條件，這是屬于一個非線性的優化問題，在設定計算方案時，需要將有約束條件轉變為無約束條件來進行計算。建筑工程設計中常用
的方法有Powell算法、拉氏乘子法和符合型等方法。利用這些方法來計算建筑模型的優化結構設計方案。
2優化的結構設計技術在實踐中的應用
在設計好了優化的結構設計方案后，就可以將該理論方法應用于實踐之中。結構設計的優化，是目前一個比較普遍的課題，要達到利
用結構優化的方法在不改變適用性能的前提下達到降低工程造價的目的，將結構設計優化方法應用于實踐之中，這是我們建筑工程設計
人員所追求的目標。結構設計優化設計應用于項目的整體設計、前期設計，舊房改造，抗震設計等設計的各分部環節，發揮著巨大的效益。
在按照結構設計優化的方法及模型進行實踐的過程中，要注意下面的三個方面的問題：參與結構設計優化的前期工作，將概念設計和細部結構設計進行優化，優化下部的地基基礎結構設計。下面就這三個方面進行詳細描述。
2.1參與結構設計優化的前期工作
因為前期方案的確定直接影響建筑的總投資，而現在存在的普遍問題就是前期方案階段結構設計并不進行參與，建筑師進行建筑設計時大多并不考慮結構的合理性以及它的可行性，但是建筑設計的結果卻直接對結構設計造成影響，某些方案可能會增加結構設計的難度，并使得建筑的總投資提高。如果在方案的初期，結構優化設計就能參與進來，那么我們就能針對不同的建筑類別，選擇合理的結構形式，合理的設計方案，獲得一個良好的開端。
2.2將概念設計和細部結構設計進行優化
概念設計應用于沒有具體數值量化的情況，例如地震設防烈度，因為它的不確定性，計算式難免與現實有較大的差異，在進行設計的時候就要采用概念設計的方法，把數值作為輔助和參考的依據。設計過程中需要設計人員靈活的運用結構設計優化的方法，達到最佳的效
果。
2.3優化下部的地基基礎結構設計
地基基礎的結構設計優化首先要選擇合適的方案，如果為樁基礎，那么要根據現場地質條件選擇樁基類型，盡量節省造價。樁端持力層對灌注樁樁長的選擇影響很大，應多進行比較以確定最合適的方案。
3優化的結構設計實際價值
結構設計優化在建筑設計中具有很重要的地位，首先使用結構優化的設計能降低建筑，其次進行優化結構的設計能提高建筑結構的經濟性。這些都具有實際價值。
3.1 通過結構優化設計來降低總造價
進行結構優化設計中，多層住宅和高層住宅相比較，層數越多總建筑面積增大，單位建 筑面積占用的土地面積就越小，節約了用地成本，但建筑層數的增多，建筑總高度也會加大，樓與樓之間的間距也要加大，這時占用的土地節約量就不與建筑層數增加比例相同了。另如屋蓋部分，一棟樓只有一個屋蓋，并不會因為層數的增加而有所改變，它的成本下降會比較明顯。對于基礎部分而言，雖然也是各層共用的，但是層數增加，傳給基礎的荷載將會增大，我們需要增大基礎，這樣單位面積的造價有所降低，但是卻沒有屋蓋的效果那樣明顯。
3.2 通過進行結構設計優化來提高建筑結構的經濟性
建筑的層高增加，由于墻體面積和柱體積增加，結構的自重會增加，基礎和柱的承載力相應增加，水衛和電氣的管線會加長；相反降低層高，可節省材料，有利用抗震，同時建筑的總高度減小，兩建筑之間的日照距離就會減小，間接的節約了用地。建筑面積相同，建筑使用不同的平面形狀時，它的外墻周長也就會不同，這樣當選擇圓形或是越接近于方形時，外墻周長系數就越小，基礎、外墻砌體、內外表面裝修都隨之減少，同時其受力性能也得到提高，增強了建筑的經濟性能。
4 結論
利用結構設計優化的技術方法，能提高有限的空間、有限的資源，讓其最大化的效果發揮，實現了經濟化、實用性和適用性的良好目標。滿足了建筑產品的品質要求不斷提高的目的，實現了人們對于居住條件及生活環境的要求不斷提高的需求，同時，這也實現了建筑商不斷尋求新的手段來滿足顧客的需求，達到降低建筑工程造價成本的目標。
5 參考文獻
[1]談建筑結構的優化設計[J].建筑科學，2009
[2]張紅友.優化結構設計減少建筑投資成本[J]，陜西建筑，2008（1 1）.
第2篇
【關鍵詞】結構設計；優化
結構設計的目標是“安全、適用、經濟”，對結構設計進行優化的目的就是使有限的空間、資源效果最大化，結構設計的優化工作就顯得非常的重要。結構設計優化的方法就是合理的利用材料的性能，合理的利用結構體系的受力特性，合理的結構布置，使結構內部各單元得到最好的協調，達到規范所規定的安全度，并使其使用功能得到最大的滿足。下面將通過幾個方面對結構設計的優化進行探討，以期與廣大結構設計人員共勉。
1 結構整體分析
在承載各種作用的時候，建（構）筑物總是以整個結構體系協同工作的，結構體系的優劣是這個建（構）筑物的先天基礎。合理的結構體系可以在安全、經濟、適用等方面做到更好的協調。
1.1 結構形式的選擇及結構布置
同一建筑方案，可以采用多種結構體系進行設計。建筑工程常用的結構體系有框架結構、框架剪力墻結構、剪力墻結構、筒體結構等。每一種結構形式的經濟性都有所差別，且都有其相應的適應性、抗震性能。因此，設計人員在建筑結構體系的優化選擇過程中，要根據建筑物使用功能的要求、建筑高度的不同、場地條件等因素，按照經濟合理、安全可靠的設計原則，保證結構整體具有良好的抗震性能、足夠的承載力和剛度的前提下，選擇最合適的結構體系。
結構布置要求結構設計者具有化繁為簡、了解各種結構特性并對其出現的各種狀況采取相應措施的能力。在建筑結構設計的過程中，在基本滿足建筑師設計意圖的基礎上，平面布置應盡量規則、對稱，盡量縮小質心和剛心的距離；使建筑物在水平荷載作用下不致產生太大的扭轉效應。豎向布置應在滿足功能要求的前提下，盡量使豎向承重構件上下貫通且豎向剛度最好不要突變，否則突變處在水平荷載作用下會出現嚴重的應力集中現象，這對結構抵抗水平動力荷載是十分不利的。
筆者設計的某值班宿舍樓，平面尺寸為7×38m，平面雖然很規則，但很狹長，結構布置的時候，做到了結構剛心與質心非常的接近，但計算后的結果卻不能令人滿意，第一周期是扭轉周期，對于結構的抗震是非常不利的。究其原因就是結構平面過于狹長，平面剛度不足，造成兩端振動不同步引起了扭轉效應。在增大了兩端柱截面之后，雖然第一、二周期變成了平動周期，但第一扭轉周期與第一平動周期的比值大于0.9。雖然抗震規范對多層建筑的周期比并不做要求，但參考高層規范的規定，比值過大的情況下結構的抗震性能并不是很好。于是筆者在兩端墻體交接處各增加了一根柱子，使得兩端的剛度進一步增強，且柱的布置不影響使用，結構的周期比小于了0.9，而且由于結構布置的時候剛心和質心是非常接近的，因此結構的抗震性能是非常好的。
1.2 功能要求
每一個建（構）筑物都有其預定的功能要求，設計者甚至不能滿足其無限擴大的功能要求，而功能要求往往也會與結構形式產生沖突。當為了更大滿足功能要求而不能采取更優的結構形式使造價增加，或者采取更優的結構形式使造價降低卻但限制了一些功能上的要求時，設計者應當與建設方協調，在功能要求和結構形式上互相做出讓步，以確定雙方都滿意的結構方案。比如框架結構、框剪結構、剪力墻結構、簡體結構等滿足使用者自由布置空間的能力是不同的，一般情況下按上述排序該能力是越來越弱的，但結構體系的剛度卻是越來越強的，適用的最大高度是越來越高的。當某建筑物的高度接近框架結構的適用最大高度時，其結構成本相對是比較高的，可以考慮采用框剪結構，如建設方認為框剪結構影響了其功能使用，且結構成本對其影響不大時亦可繼續采用框架結構。但通過溝通，在采用框架結構的同時，在不影響其功能要求的某些位置設置少量的剪力墻以加強結構的抗側剛度則不失為更優的結構方案。
2 改變約束條件
改變約束條件是進行結構設計優化的一種有效的手段。
某水廠水池，由于施工單位的失誤，池壁鋼筋產生嚴重的偏位，按偏位后的截面進行復核，池壁承載力已經不夠。筆者采用增加約束的辦法進行處理。將池壁上部的走道板強化設計，作為池壁的上部約束，經復核此情況下偏位后的鋼筋滿足要求。
某門式剛架廠房，筆者最初設計時對剛架的底部按固端約束進行計算，發現剛架的基礎非常大，造價很高。后經優化，減掉部分約束，改為鉸接，基礎尺寸大為減小，柱腳構造施工難度變小，且上部構件截面增大不多，取得了良好的經濟效益。
3 構件分析
每一種結構構件都有其最經濟的使用范圍，每一種截面尺寸均有其最經濟的承載狀況。通過構件分析進行結構優化的目標是使構件的截面尺寸更合理，充分發揮材料的結構性能。
筆者在設計水處理構筑物的時候，通過采用通用計算軟件分析發現控制構件配筋的最不利彎矩衰減得非常的快，這些在普通的靜力計算中是察覺不到的。根據這個特性，在大尺寸的池壁設計中，可以采取沿高度逐漸減小池壁厚度和逐漸減少配筋量的方法來更合理的發揮材料的性能，取得更好經濟效益。
犧牲某些結構構件的部分經濟性，達到更高的整體經濟效益則是另一種結構優化的方向。例如，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，其不一定能實現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。雖然寬扁梁在經濟指標上與常規梁相比并非最優，但對比整體經濟效益和結構增加的投資，整體經濟效益大時，做寬扁梁設計是個值得考慮的結構設計優化方向。
4 材料選擇的優化
結構承載能力的載體就是材料，工程實踐證明，設計階段合理選擇建筑材料，控制材料單價或工程量，是控制工程造價的有效途徑。建筑材料應盡量選用性價比高的高強度建筑材料。例如HPB300、HRB335和HRB400這三種鋼材的價格比較接近，但它們的抗拉強度值是270：300：360=1：1.11：1.33，可見采用高強鋼筋的性價比高。采用高強度鋼筋減少了用鋼量的同時，還減少了施工量，增加施工可操作性，減少了施工難度。當柱截面由軸壓比控制導致尺寸過大時，可以采用更高等級的混凝土，以達到減小結構尺寸，增加使用空間的目的。結構設計者可以與建筑設計者協調采用輕質高效的建筑材料，如填充墻材料宜采用輕質墻體，屋面采用輕質防水材料等，這些材料的使用既可增加室內的使用空間，也能減輕結構自重，減小地震作用，進而減少結構主要受力構件的用鋼量和混凝土用量，減少了結構部分的投資。
5 計算模型的優化
實際結構是很復雜的，完全按照結構的實際情況進行力學分析是不可能的，對工程設計而言也是沒有必要的。因此結構設計時，都需要采用某個計算模型對結構實際狀況進行簡化模擬，計算出結構在各種工況下的效應。結構計算模型的準確性決定了計算結果的合理性及對工程設計的指導意義。
縱觀結構設計軟件的發展歷史，就是結構計算模型提高準確性的發展歷史。在計算機高度發達和通用計算逐漸普及的今天，結構設計者擁有了更多的選擇對結構進行更為合理的模擬計算，設計者可以得到更為準確的結果，從而更為合理有效的進行材料配置，提高經濟效益。
由于業主功能需求的變化，某已建成的建筑物空間布置發生了較大的改變，部分樓板荷載超出了原設計的規定。筆者在對此建筑物結構進行技術鑒定時，考慮到原結構設計是采用梁柱模型計算的，樓板并未直接參與計算，僅估計了對梁剛度的影響，可能實際結構承載能力還有一定的富余。筆者采用了梁柱與板殼元共同工作的計算模型進行復核，并對其局部荷載進行精確施加。最終驗算的結果表明原結構基本能滿足要求，僅需進行小的調整即可滿足結構安全。
在水處理構筑物的設計中，水池底板的設計一直都沿用傳統的倒樓蓋法，整個底板的地基反力是按均布荷載布置的，這與實際的受力狀況有很大的不同，造成了底板用鋼量過大的結果。在使用通用計算已成為可能的今天，可以考慮采用更為接近實際狀況的有限元模型進行受力分析，并以此結果指導配筋將會更為合理且更為經濟。
第3篇
關鍵詞：橋梁；結構；設計；措施
中圖分類號：TU997文獻標識碼： A
1、橋梁結構設計的原則
1.1、結構安全
在橋梁設計中，最重要的一部分就是結構，結構的安全性直接關系到橋梁的正常使用、在設計結構時：要考慮結構自身的安全性，需要通過可靠的結構結算分析以及合理縝密的構造處理來保證；要將恒載、活載、自然荷載等其他荷載考慮在內；對于突然性的高強度的荷載。例如強風荷載、高強度的凍脹力、水力等因素也需要考慮在內。
1.2、耐久適用
橋梁結構設計常常受到地形條件的限制。因此，對于地形條件較復雜的地區，橋梁布設往往會出現高墩大跨結構，對于這類結構形式的橋梁，在下部結構進行剛度分配時，穩定性、耐久性等因素是結構設計時的關鍵點。對于難以采用標準跨徑結構和互通式立交中彎曲半徑較小的橋梁，可以采用鋼筋混凝土現澆結構及預應力混凝土現澆結構。對結構形式的選擇直接關系到結構的安全和使用。
1.3、經濟合理性原則
在橋梁設計時，除了要考慮施工技術、結構形式等因素外，還要考慮橋梁造價問題，這是一個現實的問題，在考慮的時候應遵循基本達標、擇優而取、最少污染的原則：必須要達到橋梁的最基本要求，且經濟指標是否接近最佳范圍；要和其他方案反復比較，確立最佳方案；所選方案要盡量減少對自然環境的破壞，盡量和自然環境相協調、相結合。
2、橋梁結構設計的要點
2.1、橋梁結構的使用壽命
橋梁的使用壽命低需要綜合性多方面因素考慮，首先，在主體結構設計標準上相對較低，設計標準應盡量向更為先進的世界級標準看齊，不應當只停留或滿足于在現有的技術標準，要隨著越發嚴苛的使用環境進而進一步制定滿足當下或未來的技術規格標準。其次，在橋梁結構設計選型的合理性，也是決定橋梁使用壽命的重要問題，由于每座橋梁在建設的地點是不同的，橋梁所面臨的是不同的氣候，不同的地質，不同通行狀況，所以綜合多方面的因素考慮橋梁的結構設計適合符合當地的客觀因素條件，來選擇設計結構合理的橋梁。然后，在用結構設計和料選材上，設計者應當對于橋梁主體支撐部位的結構上采用堅實的用料和結構，如在保證混凝土保護層的厚度，保證鋼筋。
2.2、橋梁結構設計的抗載荷能力
隨著我國經濟建設的大幅度提高，各個地區的運輸能力也在不斷發展，各種運輸工具越來越多，而且在向著更大，更重，載重能力更強的方向發展，設想一下，在跨河橋梁上成群結隊的車輛全部擁擠在橋面上行駛，這對于橋梁的結構堅實度是一項巨大的考驗，所以在橋梁抗高負荷承載的情況下，就需要設計者對于橋梁目前和未來所要面臨的載荷能力能高瞻遠矚，應用合理的結構來應對這一情況，而且可以再橋梁設計中的關鍵部位添加相應的減震裝置，如粘滯阻尼器，可以通過氣彈性部件可以有效的減少橋梁震動時產生的能量，以減少對橋梁主體的損害；鉛芯橡膠支座，可以有效減少支座的硬性撞擊，通過有著良好力學性能的鉛芯和橡膠的配合，就可以達到這樣的效果。總之，在抗重載荷情況下，橋梁的結構設計需要提前預估和計算出將要面對的負載情況，并且利用緩沖部件來直接降低重載荷所引起的橋梁壓力過大。
2.3、橋梁結構的抗震性
有些橋梁會應用在經常發生地震的區域，地震會對橋梁產生嚴重的破壞，因為在橋梁結構設計中已經考慮到了動荷載的作用，所以要在鞏固動荷載的基礎上，加強橋梁結構的抗震性能，將動荷載和抗震性能合二為一的進行綜合考慮。對橋梁結構的抗震性能一定要加強，保證橋梁的施工質量，每一個環節都要進行充分的考慮：在完善操作工藝的同時還要加強結構內部材料的整體連續性；強化橋梁支座的錨固，提高墩臺與結構的連接強度；為了使結構具有更強的延性，可以適當的增加配筋；橋梁結構中存在不良土層時要強化或替換；橋梁結構中一些薄弱的地方要采取結構構造措施進行處理。加強橋梁結構中的抗震性能，一方面能夠使橋梁的抵抗動荷載能力加強，另一方面還能夠在地震發生時發揮出防護作用。
2.4、橋梁的疲勞損傷
橋梁結構根據使用的場所不同，能夠分為風荷載和車輛負載兩種因素，這兩種因素統稱為動荷載，動荷載會導致橋梁結構的內部產生循環應力，進而橋梁在反復的振動中產生疲勞損傷。橋梁結構會因為很多因素的影響，內部材料不能均勻的分布，這其中就會隱藏著很多微小的缺陷，而這些小缺陷在動荷載的作用下會演變成大的缺陷，當缺陷達到一定程度時就會出現裂縫，嚴重了就會發生結構的脆性斷裂，產生的后果是非常嚴重的。因此為了更好的消除危險發生的可能性，一定要做好疲勞損傷的防范工作，要將這個問題重視起來，防患于未然。
2.5、橋梁的超載
橋梁的結構設計都要達到正常的使用標準，可是在實際的橋梁運行階段，橋梁荷載并不能都達到在設計的允許范圍之內，超載會導致動荷載的應力幅值增加，同時損傷出現的幾率也會增加。因為超載所造成的損傷是巨大的，這些損傷是很難修復的，超載甚至會破壞橋梁的結構，導致事故的發生。設計人員要加強對橋梁超載問題的研究力度，保證橋梁結構的耐久性以及安全性。
2.6、環保問題以及可持續發展
橋梁結構設計時應該充分考慮環境保護以及可持續發展問題，主要包含生態情況、水、空氣以及噪聲等多方面的基本因素。另外還要從橋位選擇、橋跨的布置、基礎方案的制定、墩身外形等多個方面對環境要求進行考慮，這樣才能針對施工期間出現的植被破壞現象、水土流失問題以及排渣污染等不良問題采取有效措施進行控制，與此同時還要建立一套完善的環境監測與保護體系，這樣才便于將不利影響降到最低。
3、橋梁結構設計過程中的細節處理
3.1、要遵循實際
在橋梁設計過程中，為了避免使橋梁結構質量發生問題，相關的設計人員必須根據實際的情況來進行設計，避免樁基位置較低的現象發生，從而能夠使橋梁的質量得到保證，在橋梁標高也能夠準確。
3.2、地基上帶基樁的鋼筋混凝土
在對地基上帶基樁的混凝土壓力考慮過程時，要從深層方面進行考慮。但是值得我們注意的問題是，很多的普通橡膠支座都是設立在伸縮縫當中，這么做是十分危險的，而橡膠的支座是必須要設立在橋梁的結構上面，如果設立在伸縮縫中，那么在長久的車輛荷載作用之下就導致裂縫拉斷的現象發生，由此可知，橡膠支座在橋梁當中的作用，將會直接影響著橋梁的結構安全以及長久性。所以，相關部門一旦發現此問題必須及時改正，保證橋梁結構不出現問題。
3.3、橋梁最好保持和與路線正交
在橋梁設計時，最好要保證橋梁的設計能夠和線路形成正交的形式，這樣能夠有效的減少橋梁的長度，并且還要在橋梁的適當位置處設立伸縮縫，通過伸縮縫來使受拉區的長度有效的縮短，從而能夠減小橋梁收縮變形現象，以此來控制橋梁的傾向裂縫發生。
總而言之，對于橋梁結構設計而言，需要設計人員有較為豐富扎實的理論知識，還需要有著一定的工程經驗，在工作中不斷優化技術，保證設計的準確性，以及橋梁的整體質量安全。
參考文獻
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[2]楊舟.橋梁結構設計關鍵問題討論[J].江西建材，2014，22:165.
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