論結構優(yōu)化設計與策略

聶永兵（湖南省建筑設計院，湖南長沙410011）

論結構優(yōu)化設計與策略

聶永兵（湖南省建筑設計院，湖南長沙410011）

本文主要是根據(jù)建筑工程中的鋼結構設計存在有待優(yōu)化的問題，從而根據(jù)建筑設計的相關標準對其進行一系列的鋼結構優(yōu)化的設計等，具體針對鋼結構的設計相關原則、鋼結構在建筑中的設計、鋼結構的基本優(yōu)化方案以及其現(xiàn)實生活中存在的問題與解決辦法等方面進行系統(tǒng)的分析，希望通過本文的研究，能夠為在建筑工程中的鋼結構優(yōu)化設計提供參考。

結構優(yōu)化；鋼結構；建筑工程；應用價值

1 引言

結構優(yōu)化設計這一門新技術是最近幾十年發(fā)展起來的新型技術手段，該技術的出現(xiàn)使得設計者由原來的被動分析、核實，轉變成主動設計、規(guī)劃了，從本質上改變了結構設計。就目前結構優(yōu)化設計的成功經(jīng)驗來看[1]，其與傳統(tǒng)的設計相比較，最主要的就是可以有效降低工程的造價。另外，結構優(yōu)化設計能夠科學、合理地運用各種材料的性能，能夠使該材料在應有的結構內部發(fā)揮出其最優(yōu)化的狀態(tài)，并且能夠使其安全性能大大提高，與此同時還可以為整體性的方案進行合理的設計決策[2]。總而言之，結構的優(yōu)化設計是能夠使設計實現(xiàn)適用、經(jīng)濟、安全等一系列優(yōu)點。

2 鋼結構設計的原則

針對鋼結構在實際設計中的穩(wěn)定性問題[3]，本文主要提出以下三個基本原則，并對該三項原則進行了詳細的闡明，以此來保證在鋼結構設計在穩(wěn)定性問題上能夠得到有效的保障。

2.1 針對結構整體的布置必須要充分考慮整體以及相應組成部分的穩(wěn)定性要求

就目前的這些建筑而言，其絕大多數(shù)是按照平面體系來進行設計的，例如框架等。為了能夠確保這些平面結構不會出現(xiàn)平面失穩(wěn)的情況，就需要對其整體結構的布局上來解決，并且其設計還必須要一定的支撐部件等。綜合來講，就是要求平面結構的構件出穩(wěn)定的平面計算就必須要求與結構布置相一致。

2.2 結構設計計算的簡圖與實用計算方法依據(jù)的簡圖一致

針對目前的設計單元與多層框架結構設計時，對其不會經(jīng)常做一些框架穩(wěn)定的分析，取而代之的則是以框架柱的穩(wěn)定性計算。而針對采取這種方式時，計算框架柱的穩(wěn)定時要用到框架柱的長度計算系數(shù)，其應該通過框架的整體穩(wěn)定性分析得出，只有這樣才能夠確保柱的穩(wěn)定計算與框架穩(wěn)定性計算具有等效的關系。不過，對于實際框架的種類是比較繁多的，為了能夠在實際設計中對其計算工作進行簡化，就需要設定一些具有典型的相關條件。針對實際設計工程中，框架計算所使用的簡圖與實際使用的方法所依照的簡圖不一致的情況下可以具體分成以下兩種情況，即附有搖擺拄的框架和橫梁受有較大壓力的框架。依據(jù)實際情況，若要對其進行規(guī)范性的系數(shù)計算，都會存在著導致的不安全的后果，因此工程設計中所使用的計算方法要與之前假設和具體計算的對象相一致。

2.3 設計結構的細部構造和構件的穩(wěn)定計算必須相互配合，使二者有一致性

要求機構計算與結構設計相一致，一直是在工程設計中值得關注的重要問題。針對那些要求傳遞彎矩與不傳遞彎矩節(jié)點的連接而言，其應該對其分別賦予足夠的剛度、柔度，對其桁架節(jié)點的設計盡量減少桿件偏心，這些設計問題都是需要在注意結構設計的細節(jié)中常常被考慮的主要問題。然而，該設計在涉及到穩(wěn)定性時，結構在進行構造時會出現(xiàn)不同強度上的要求的考慮。就拿簡支梁抗彎強度而言，針對那種不動鉸支座的要求只是對其位移情況進行了阻止，但允許其在規(guī)定的平面內轉動。雖然在上述實例中能夠進行有效的解決，但在處理梁整體穩(wěn)定性時就顯得不能夠完全滿足了。

3 鋼結構建筑的設計

在建筑工程中，鋼結構的設計就是鋼結構成功運用的典范實例。但是為了能夠確保鋼結構在建筑中合理、有效，就應該在設計的過程中精益求精。在現(xiàn)代化的建筑工程鋼結構的設計中，最為關鍵的兩個步驟就是正確選擇鋼結構方案以及正確計算其鋼結構的截面高度。

3.1 鋼結構建筑整體與局部精細設計

對于建筑而言，其不僅需要有非常美觀的外部結構，還需要注重對建筑間的相互協(xié)調的能力進行良好的設計。而在建筑中，鋼結構的建筑也是非常重要的一種，其在具有鋼自身建筑的特殊性同時，同樣也存在這普通建筑的一般性。因此在對鋼結構建筑進行設計時，一定要同時滿足上述兩種要求。由于鋼結構具有其獨特的性質，因此在對其進行設計建造時，會致使其部分細節(jié)的部位出現(xiàn)部分的偏差或者裸露在建筑外面。因此對鋼結構建筑在設計時，在保證建筑外觀與建筑功能比較完美的情況下，盡量將設計的過程進行精細化、嚴格化。

3.2 鋼結構的穩(wěn)定設計

在建筑工程設計中，鋼結構設計的穩(wěn)定性設計是眾多設計中的難點，雖然其在單純的設計中并不需要考慮前置等一系列條件，但是其需要在日后維護中是比較重要的，因此在對建筑進行設計時，對鋼結構的穩(wěn)定性設計也是非常重要的研究對象。針對鋼結構建筑設計中出現(xiàn)失穩(wěn)的狀況主要分為兩種，即整體性失穩(wěn)、局部性失穩(wěn)。所謂的整體性失穩(wěn)就是指通過對整體框架穩(wěn)定性作為研究對象，在計算過程中可以根據(jù)長細比穩(wěn)定系數(shù)來帶人進行驗證；而局部性失穩(wěn)則是指框架結構的內部由某一處結構產(chǎn)生的失穩(wěn)狀況，其通過間接的方式來影響整體的穩(wěn)定性。因此針對鋼結構在建筑整體布置中，一定要考慮其局部和整體的穩(wěn)定性來進行設計、建造。

4 選擇鋼結構優(yōu)化方案的基本原則

針對鋼結構的優(yōu)化設計方案，將結構平面布置主要包含有：質量中心、抗側力剛度中心、外力作用中心等盡量保持其重合、接近，這樣就能夠避免或減小在外力的作用下使結構發(fā)生扭轉的效應。針對其扭轉進行抵抗的過程中，需要將所使用材料的用量進行數(shù)量上的增加，這樣就會出現(xiàn)不規(guī)則的結構平面的布置，最終的結構就會導致建筑鋼結構的設計建造不安全、不經(jīng)濟。

而對于結構中的安全、可靠性要保持高度的一致性，對于建筑設計中的每一個細節(jié)、構件都要認真的考慮，使其最大效應發(fā)揮到極致，這樣就能夠使結構設計與構建相互協(xié)調、統(tǒng)一，使設計的目標水平顯現(xiàn)出來，實現(xiàn)其既安全有經(jīng)濟的設計理念。

對整體的結構設計方案進行總體的構思時，一定要將上述的建筑設計理念應用到建筑當中，使其結構與結構之間、結構與部分構件之間的關系進行合理的處理，使其在整體中保持最佳的受力狀態(tài)，將其應有的作用有效的發(fā)揮出來，使結構擁有良好的延伸性以及足夠的剛度、承載力等。

在一定程度上，要將其結構上受力、力的傳播途徑進行簡單、直觀的表現(xiàn)出來。若是比較復雜的傳力途徑，其顯現(xiàn)出來的結構構件則是經(jīng)過很多次的轉換而顯現(xiàn)出來的，這樣就會是造價、成本過高，并且還會產(chǎn)生過多的計算錯誤而對安全性造成嚴重的影響。如果能夠直接、簡單的將傳力途徑展現(xiàn)出來，就能夠使中間的傳遞構件節(jié)省下來，進而使其安全性能大大提高，造價方面也得到有效的降低。

5 鋼結構住宅安裝設計的問題對策

（1）針對那些壓型鋼板在對其進行裝、卸的過程中嚴禁直接使用鋼絲進行捆綁吊起；而在運輸?shù)倪^程中，應對其盡量設有足夠的支點，防止其變形；在對鋼板進行鋪設前一定要將其彎曲狀況校正好；保證鋼梁頂部的平面保持清潔、干凈。

（2）針對外墻板的選擇和開發(fā)是鋼結構住宅建筑中關鍵問題之一。其除了需要滿足外墻板的各項要求外，還要根據(jù)墻板原料的選擇，具體為生產(chǎn)場地、運輸、安裝等條件。

（3）而對于那些主要以建筑設計為主導的鋼結構建筑而言，其需要與其它專業(yè)緊密結合起來共同起作用。除此以外，鋼結構建筑還需要注重一些特殊問題的解決，具體為：鋼結構優(yōu)勢的如何發(fā)揮、針對鋼結構所帶來的建筑平、立面單調呆板問題的解決，以及鋼結構建筑的防火、防腐等相關問題的解決。

（4）另一個重大的問題就是鋼結構建筑的造價問題。根據(jù)現(xiàn)實情況而言，鋼結構建造的建筑在中、高檔建筑中，鋼結構建筑都是一項比較系統(tǒng)性的工程，其應從設計、建造、運輸、安裝、維修以及管理上進行環(huán)環(huán)協(xié)調、管理，以此來保證在鋼結構安全的前提下，來降低其造價，從而提高其綜合經(jīng)濟效益等。

（5）針對鋼結構的布局而言，其主要的問題就是布局不規(guī)范，這樣就會在地震時造成損害。若要想使其做到安全、科學、合理，并且節(jié)點的構造有簡潔可靠，就需要在結合抗震性能與結構的布局上進行詳細地研究等。

6 結束語

結構優(yōu)化設計是一門比較綜合性質的學科，其不僅需要相應的理論作為支撐的基礎，還需要許多的成功經(jīng)驗等，其在各個行業(yè)中都存在應用的價值，非常具有研究的價值。結構優(yōu)化在理論上對結構設計提出了更新的設計理念，能夠為人類在有限的資源內合理運用打下堅實的理論基礎。與此同時，結構優(yōu)化的問題本身也為相關學科提出了比較新的任務，從而帶動相關學科的發(fā)展等。本文主要對結構優(yōu)化設計的具體內容進行研究，對其進行了概括，希望為在今后的結構優(yōu)化設計上提供相應的幫助等。

[1]李 晶，鹿曉陽，陳世英.結構優(yōu)化設計理論與方法研究進展[A].工程建設，2007（06）：21～31.

[2]侯貫澤，劉樹堂，簡國威.工程結構優(yōu)化設計理論與方法.工程設計，2009，08：123.

[3]王自成.淺議建筑鋼結構優(yōu)化設計.建筑設計，2014，22：89.

TU201

A

2095-2066（2016）24-0170-02

2016-8-8

聶永兵（1981-），男，工程師，碩士，主要從事建筑結構設計等工作。