工程结构优化设计

工程结构优化设计（精选12篇）

工程结构优化设计 篇1

引言

在我国当前的建筑工程中, 就现状来看, 在房屋建筑工程结构设计方面虽然取得一定的成绩, 但在整体上来仍存在一些不足, 应该针对存在的不足提出优化措施, 优化设计房屋建筑结构, 才可以提高房屋建筑工程设计效果。以下对此做具体分析。

1、当前房屋建筑工程结构设计中的弊端问题

1.1忽视设计成本

现在一些房屋建筑工程设计人员, 在设计房屋建筑结构过程中, 由于涉及的业务繁多、设计时间紧张, 忽视控制建筑工程进度成本, 所做的设计不可能把成本控制到最优【1】。同时, 有一些经验不足的设计师, 过分的强调“安全”, 设计偏于保守, 这也大大的增加了开发商的成本【2】。

1.2缺乏建筑舒适度及安全性的考量

在当前的房屋建筑工程结构设计中, 只追求美观度, 忽视建筑的舒适度, 使得房屋建筑的适用度降低。在房屋建筑结构设计过程中, 还会遇到多种复杂的问题, 会由于不可抗力而造成房屋建筑结构损坏, 出现房屋安全性问题【3-4】。并且, 在房屋建筑工程结构设计中, 不能保证工程的安全性, 工程结构的抗震性与强度不足, 不能够有效抵抗外作用力, 建筑结构部件的承载能力低, 不能达到建筑结构安全经济耐久的目标, 降低房屋建筑工程安全性。

1.3建筑安全系数低

在优化设计房屋建筑工程结构中, 对于不同构件的安全系数并没有规范的管理体系, 对所有的建筑构件均采用相同的安全系数进行设计, 这样将会导致建筑结构设计不合理, 降低建筑的整体安全性【5】。同时, 在建筑工程结构设计中, 对于不同部位, 在其构件设计中不能选择与之相适应的构建系统, 不能整体提升工程结构安全系统, 无法达到房屋建筑工程结构整体优化目标。

2、实际房屋建筑工程结构设计的主要需求特征

2.1项目进度-费用优化需求

在实际房屋建筑工程结构优化设计之中, 能够在保证房屋建筑结构整体性达标前提下, 可以尽量提升建筑结构设计的经济型, 降低建筑结构设计造价, 控制工程项目进度-费用, 降低建筑结构优化设计成本。

2.2实用美观需求

优化设计建筑工程结构中, 可以提升建筑结构的美观度, 合理运用现代化设计理念及建筑施工技术, 根据实际建筑环境, 优化房屋建筑工程结构设计工作, 使建筑质量与美观共存, 设计出合理的房屋建筑结构环境, 提升房屋建筑工程结构美观度。

2.3质量安全需求

在设计房屋建筑工程结构中, 应该提高建筑居住的安全舒适度, 从建筑结构、装饰、电气以及墙角布置等多个方面, 根据不同建筑结构的功能需求, 使建筑结构达到经济、安全的使用标准。

3、优化制定房屋建筑工程结构设计决策

3.1制定合理的成本控制方案

在结构优化设计, 不单单是对需要施工图阶段结构的设计进行优化调整, 还应该从工程的方案阶段就开始介入, 从房屋建筑功能出发, 从结构布置及结构概念着手, 剔除原来设计中的虚高的, 无用的, 不安全, 不合理的成本。在当前房屋建筑工程结构设计中, 能够优化制定一套完整的结构优化体系, 包括方案阶段、初步设计阶段、施工图阶段及施工方案优化设计等内容, 控制设计成本, 提高房屋建筑工程结构设计成本优势。房屋建筑工程的结构复杂性高, 且参与单位众多, 任何结构项目的设计, 均涉及各单位的经济效益, 需要从宏观角度进行分析, 做好各项要点、细节的控制, 消除影响房屋建筑工程进度-费用控制的因素。在房屋建筑结构工程优化中, 应该在设计时根据房屋建筑地质勘探报告内容, 选择合理的房屋建筑基础形式, 并能够控制好基础结构施工的截面尺寸与埋深, 有效减少房屋建筑工程基础结构的造价费用。在房屋建筑工程结构优化设计中, 需遵循专业的设计原则, 保证房屋建筑工程结构中各节点参数设计的合理性, 提高结构功能性的同时, 也能够运用优化设计策略减少房屋建筑结构设计成本;同时, 还可以选择合适的柱网布局, 并且选择合理的柱子截面形式与尺寸, 不仅可以降低工程造价。

3.2优化提升整体结构布局及审美层次

在房屋建筑工程结构优化设计中, 可以选择合适的柱网布局, 并且选择合理的柱子截面形式与尺寸, 不仅可以降低工程造价。在对房屋建筑结构优化设计之时, 需要从房屋建筑现状出发, 分析现存房屋建筑结构中的不足, 并确定优化设计的方向。详细分析建筑工程结构在何种设计方案前提下, 具有较高的抵抗外力性能, 削弱外力作用影响。对房屋建筑结构安全性影响最大的外力因素就是地震, 这样就可以将其作为结构优化设计要点, 以提高结构抗震性能为目的, 设计出专业性与科学性高的房屋结构抗震方案。如多道设防, 在房屋建筑结构受到地震作用力影响时, 通过次要构件的损坏来抵消部分地震作用力, 对主要构件进行保护, 达到房屋建筑结构优化设计的目的。

3.3优化构建建筑模型

对房屋建筑结构进行优化设计中, 应优化构建房屋建筑工作模型, 能够从选择变量、选择函数、衡量条件三个阶段来对房屋建筑结构进行优化设计。首先, 选择变量;一般对于变量的选择, 为最终设计方案中起到关键作用的各项参数, 如工程控制与约束参数、房屋结构可靠性参数等。设计人员需要结合工程建设实际需求, 将变化幅度小且限制因素小的参数作为设计指标, 争取降低结构设计、计算难度。房屋建筑结构设计人员在验算各项设计数据时, 应注意附加约束条件问题的转换, 使其成为不附带约束条件的问题, 降低计算难度。结合实际情况, 选择确定最优计算方法, 确定优化程序, 保证其具有功能完整、作用齐全以及高效运转等特点, 提高优化效果。设计人员对房屋建筑结构各项设计参数进行计算完成后, 还需要对计算结果进行统计分析, 确定不同设计方案中存在的相似点与不同点, 通过对各方案要点的对比, 选择出最佳方案。其次, 确定函数;对于函数的选择确定, 需要从多组相似函数中, 选择最为符合工程建设房屋横截面尺寸以及钢筋尺寸面积的函数组。并对此组函数性质进行分析, 争取最大程度上来降低工程建设成本。最后, 衡量条件;从工程结构耐用性与稳定性角度分析, 设计时需要对单元组件规格、架构刚性、架构稳定性、房屋尺寸、受力限度等条件进行综合分析与调整, 确保满足工程建设要求。同时还应分析实际施工中存在的各类限制因素与约束性条件, 对各项措施进行适当调整, 保证各项条件均符合相关规定要求。

结论

综上所述, 在当前我国的房屋建筑工程之中, 应该能够应该针对房屋建筑工程结构设计中存在的不足提出优化措施, 合理控制成本, 优化构建建筑模型, 提升整体结构布局及审美层次, 才可以有效确保提升房屋建筑工程的结构设计质量, 提高房屋建筑工程设计效果, 发挥积极影响。

摘要：在实际房屋建筑工程中, 优化设计房屋建筑结构, 不仅可以提升房屋建筑安全性与稳定性, 也可以减少房屋建筑工程的成本投入, 发挥积极影响。本篇通过研究房屋建筑工程结构优化设计相关问题, 从而能够针对当前房屋建筑工程结构设计中存在的一些问题进行深入分析, 并有针对性的提出结构优化设计决策, 确保提升房屋建筑工程结构设计质量, 发挥积极影响。

关键词：建筑工程,房屋建筑,结构设计,房屋工程结构

参考文献

[1]付召强.房屋建筑结构优化设计探讨[J].新材料新装饰, 2014, (5) :442-442.

[2]张冰峰.房屋建筑结构优化设计探析[J].城市建设理论研究 (电子版) , 2013, (27) .

[3]李舒雅.房屋建筑结构优化设计研究[J].建筑工程技术与设计, 2016, (19) :3101.

[4]熊平.房屋建筑结构设计的思路论述[J].房地产导刊, 2014, (35) :89-89.

[5]孟祥翔.论房屋建筑结构设计中应用优化技术[J].城市建设理论研究 (电子版) , 2014, (5) .

工程结构优化设计 篇2

关键词：建筑工程；剪力墙结构；逆序施工；

1传统施工技术及缺陷

1．1传统施工技术的流程

现浇剪力墙施工技术的主要流程如下：先对剪力墙的钢筋结构进行焊接，将焊接好的钢筋结构绑扎起来，通过相关部门验收合格之后开始对剪力墙进行安装，搭建脚手支架，对模板进行安装，最后全部验收合格后开始浇筑混凝土。

1．2剪力墙施工技术的缺陷

1）工期较长，且成本较大

在建筑物施工过程中，由于各个施工环节不能得到有效的衔接，造成部分环节不能按时完工，严重拖延了施工周期。图1中，每个结构层大概都需要将近9d的工期，且工期最好不要被延长，因为工期一旦被延长将会严重增加钢管、模板等施工建材的租借和管理费用，增加了建筑物的投资成本，严重的时候会影响建筑商的资金周转。

2）施工环境影响

建筑物的大量施工都是在露天条件下进行的，例如模板和墙肢钢筋的支护等，其在施工过程中会受到天气变化的影响，恶劣的环境条件下为了确保工人安全将停止进行施工，尤其是高温或雨天。

3）建筑物存在的质量缺陷

建筑物施工过程中，由于受到多方面因素的影响，将会导致建筑物中存在较多的质量缺陷，其主要的缺陷表现如下：

①建筑物大量模板安装之后都要对其进行严格的校正，这样做不仅会花费大量的时间，而且还会增加建筑花销。对剪力墙模板要进行多方位校正，调整合格后开始安装剪力墙模板，其安装过程中经常会引起垂直度和模板轴线发生偏差。

②如果一些杂物不小心落入到了剪力墙模板中，将会在一定程度上增加施工的难度，很难将其完全清理出来，严重影响了施工的质量。有的时候会留一些清理口，但是其加固相对比较困难，很容易出现漏浆、胀模现象，使建筑物存在一定的缺陷。

③建筑物施工过程中，由于存在高度差，导致其衔接处出现不同程度的缝隙，严重的时候会导致混凝土大量漏失，严重影响施工的进度。

2现浇剪力墙结构逆序施工技术

2．1现浇剪力墙施工的流程

为了有效的节约施工工期，在钢筋工施工过程中，相应的木工也正在忙着对模板进行搭建和安装，尽可能保证两者同时完工，随后钢筋工可以对楼面钢筋进行绑扎；当墙体模板和钢筋绑扎检查、验收合格之后，将会开始进行混凝土的浇筑施工。这样的施工流程真正的实现了无缝对接，极大的缩短了施工工期，提高了建筑物的施工效率。

2．2现浇剪力墙施工的技术要点

1）为了有效的进行梁板轴线校核和定位，首先需要进行放线施工，其不仅要设置主轴线和墙边框线，而且还要设置一条纵横轴线的控制线，该控制线一般规定可以偏移轴线500或1000m。

2）当剪力墙边框放线完成之后，木工将会在剪力墙根部安装脚箍，其主要的目的是为了有效的固定轴线位置，更好的预防剪力墙根部发生漏浆现象，甚至形成烂根。脚箍的主要安装方法是，将一定宽度和厚度的胶合板借助水泥钉将其钉在楼面上。为了有效的定位墙模板位置，胶合板应该沿着边框线向外平移剪力墙模板的厚度。与此同时，为了更好的定位截面尺寸，我们一般采用墙体骨架根部焊接的方法进行定位，其钢筋的直径一般为12mm，并按一定间距将其点焊在墙体的主钢筋上，国标上规定的间距为1．5m，定位钢筋的长度一般就等于了墙体截面的尺寸。

3）木工主要负责剪力墙脚箍的设置和相应模板支撑的搭建工作等。钢筋工主要负责焊接剪力墙的竖向钢筋和对钢筋进行有效的绑扎。同时，两者尽可能的同步施工，相互之间合理协作，已达到缩短施工工期的目的。

4）在进行粱板底模铺设过程中，要提前搭建好梁板的模板，随后用侧模将底模完全包裹起来，并借助加劲方木有效的拖住侧模，用合适的方木包裹加劲方木，这种方法被称为“防渗浆二次包角法”，施工过程中采用这种方法可以有效的防止泥浆渗漏。木工进行模板施工时，不会对钢筋的绑扎产生影响，可以有效的提高工作效率。

5）建筑物的.模板安装完成之后，要将施工过程中残留的各类垃圾及时予以清除，并将墙体钢筋和模板一起进行验收，合格之后才能进行钢筋的绑扎工作，此时木工可以转移到下个工作面继续施工。施工过程中我们应该利用轴线定期的对模板面进行检测，对其中存在的偏差采取有效的措旋进行调整，争取将误差降低到最小值。

6）对墙体模板进行施工时，我们一般采用倒挂的方法，这种方法主要是从梁板与墙体的接头处开始进行模板施工，并一层一层的进行施工，待上一层检查合格后才能进行下一层的施工，且施工过程中会受到一些部位的限制，例如脚箍和定位钢筋的限制等。模板施工过程中，我们要将接头部位设为可活动的，这样做可以有效的避免胀模、漏浆等质量问题的产生。

7）建筑物施工过程中，为了有效的缩短施工周期，节约施工成本，应该更好的确保墙体模板安装和楼面钢筋绑扎同时完工，并同时进行检测验收，等各项指标都满足规范要求时，然后开始进行最重要的混凝土浇筑施工。

8）混凝土旌工过程中，要按照国家的相关规范进行施工，其中剪力墙混凝土施工1h才允许进行其它操作。通常情况下，楼板混凝土的浇筑通过泵送布料机进行滞后施工，而墙体混凝土的施工则需要提前进行浇筑。不管是楼板还是墙体混凝土的浇筑施工，都需要边浇筑边振捣，并在其快要凝结时，进行第二次振捣操作，这样做可以有效的防止裂缝的产生。

2．3施工过程中的一些注意事项

1）墙体模板一般在支撑完毕之后才开始施工的，因此，支撑过程中要为墙体模板的搬运留有一定的空间。

2）拆模施工时，首先对梁板模板进行拆除，然后才开始拆除墙体的模板，合理的拆除工序，可以有效的提高工作效率。

3）为了提高混凝土的效果，我们一般采用泵送预料混凝土。

4）对于建筑物中钢筋布置较密的部位，在振捣时，要选用直径较小的震动棒进行振捣，这样做可以有效的漏震现象的产生。

3技术特点分析

3．1该技术的适用范围

如今的剪力墙结构已经被广泛的应用于高层建筑物中，并且这种旋工技术的使用范围相对比较广泛，几乎可以用于各类建筑物中。

3．2可以有效的改善施工质量

1）对墙体根部进行及时清理，有效的防治残渣的存留。一些传统的施工方法，其部分施工完成之后，经常会将一些木块掉落到模板内，无形之中增加了清理的难度，且垃圾的存在会在一定程度上影响着施工的质量。现浇剪力墙施工技术可以很好的弥补这一不足，有效的提高施工质量。

2）确保墙体接近90°。传统的一些方法存在这校正时间长，校正效果差等缺点，且其校正过程中需要对其进行固定，之后在发生偏差其整改难度将会加大。如今的剪力墙模板逆序施工技术可以减少校正和加固的麻烦，且可以有效的避免偏差的发生，提高了施工的效率。

3．3加快施工速度。缩短工期

墙体模板安装和楼面钢筋绑扎相互协作，共同进行施工可以明显的加快施工进度，缩短了施工周期，与传统的施工方法相比，其工期大概降低了将近50％。

4结束语

工程结构优化设计 篇3

【关键词】建筑结构设计；拱桁架结构；设计优化；方法

从性质上而言，拱桁架属于钢结构形式的一种，在现代建筑结构设计中得到了广泛的应用。拱桁架结构的最大特点是能满足大跨度屋盖结构设计需求，同时降低屋盖造价成本，因此受到了建筑结构设计行业的高度重视。结合拱桁架结构应用现状，笔者现对拱桁架结构设计优化方案作详细论述。

一、拱桁架结构的概述

1、拱桁架的特点

随着建筑事业的不断发展，建筑结构设计水平也变得越来越高，多种不同形式结构层出不穷，为建筑造型百变，建筑功能完善做出了巨大贡献。拱桁架结构作为一种常见钢结构，现已在大跨度建筑屋盖体系中得到广泛应用。

就我国当前的拱桁架结构发展状况来看，建筑结构设计中常见的拱桁架形式主要分为三种，即不拉索和杆结构、拉索结构以及拉杆结构。这三种拱桁架结构按照支座类型划分，原理在于，结构中拱所承受的荷载由曲杆承受，同时曲杆在承受荷载的同时将部分荷载传递到结构支座上，由支座来承受结构的整体受力。即是说，拱桁架结构支座负责承受结构所受的所有外力，包括结构竖向压力以及拱结构的水平推力。为此，在拱桁架结构设计中，支座处理是关键，设计时务必要做好支座受力设计方案的优化。

2、拱桁架支座设计

拱桁架支座抗衡、化解拱结构传递过来的水平推力方法主要有两种，一是将结构支撑，二是拉杆承受。前者是指利用支座结构来承受水平推力，后者则要求在拱桁架下方增设一个下弦单拉杆，利用拉杆来化解推力。

如设计中采用第一种方法，利用结构支座来支撑水平推力，会大大增加结构负荷，设计时为了防止结构坍塌，必须对结构构件质量提出高要求，这便很容易造成材料浪费，增加工程造价成本；如果采用第二种方法，在拱桁架下方设置下弦单拉杆，利用单拉杆化解水平推力，可大大减少支座受力，因此无需过分提高结构构件质量要求，所消耗的施工材料也比较少，工程造价自然会降低。所以一般情况下，拱桁架结构设计多采用拉杆增设方式，我们在探讨拱桁架结果设计优化方案时，可将拉杆设计作为突破口，合理优化拱桁架拉杆设计方案。

二、拱桁架结构设计优化

1、工程概况

在某地区的一个生态园区的发展建设中，为了满足生产的需要，要在园区内建造一个钢屋盖结构的大空间、大跨度建筑。在对工程进行设计的过程中，设计人员将屋盖结构的主体设计为采用钢管立体桁架的结构，其跨度为60m，柱距为8.1m，设计基准期为50年，设计使用年限为50年，建筑结构的安全等级为二级，结构重要性系数r0=1.0。

2、工程结构设计方案

本工程施工前期，应开发商要求，设计单位将工程的建筑结构风格定义在简单、大方之上，设计时尽量满足大空间建筑需求，既保证了建筑结构的实用性，又保证了建筑结构的美观性。实际设计时，设计人员采用大跨度空间网架结构作建筑结构设计方式，同时将网架结构形式确定为拱桁架，最终确定出了大跨度空间拱桁架结构设计方案。

为了满足建筑结构受力需求，设计人员在该套设计方案中融入了拱桁架拉杆结构，目的在于利用拉杆结构来分散拱桁架支座受力，减轻支座受到的拱结构水平推力，达到节省施工材料，降低工程造价成本要求。

3、工程结构设计方案的比较

在确定拱桁架结构设计方案之前，设计人员探讨出了几种各具优缺点的结构设计方法，并利用模型设计方式对几种设计方案的设计参数作了仔细比较，结合设计参数分析了几种结构各自的受力特点，详细方法如下：

3.1模型设计及参数计算

对拱桁架结构模型进行计算分析，得知拱桁架结构属性为平面结构，因此本工程在分析拱桁架模型设计时，只选用一榀拱桁架作设计模型。该结构设计模型中，拱桁架结构的总跨度为60米，结构高7.5米，横截面形状为倒三角形。该结构在设计施工时选用了型号为Q235B，弹性模量E=2.06E11N/㎡，屈服極限σs=235E6N/㎡的钢材料。拱桁架支座处理采用刚接和铰支方式。分析计算拱桁架结构模型时，设计者引进了ANSYS程序，计算得出相应的设计参数。

3.2单榀拱桁架的受力分析

对于单榀拱桁架结构的受力特点进行分析时，设计人员采用了结构静力分析法对各自结构受力情况作了探讨，并最终得出选用拉杆作为支座之间的连接方式是最具有经济价值和实用价值的，且比起其他方案，这种设计方式所具有的抗震性、经济性也更好，更能优化拱桁架结构受力。具体的方案设计方法和受力分析分别如下所示：

（1）Ⅰ方案拱桁架支座为两端铰支，其最大位移出现在跨中，值为54.2mm，下弦杆的内力最大，值为101MPa。

（2）Ⅱ方案中，考虑了索的预应力，通过调整张弦桁架中索的初始应变的方式施加预应力，对结构初始形态预起拱，按规定，几乎所有结构刚度不足工程均不需要对结构在荷载下产生的弹性位移进行控制，而通过结构的初始几何形态的预起拱实现结构正常使用的变形性能安全设计目标。但此时，结构的绝对位移值超过250mm，如此大变形对屋面围护次结构、屋面防水连接构造的正常使用的安全性能将产生严重不利影响。

（3）Ⅲ方案中，将拉索换为拉杆，其最大位移出现在跨中，值为87.8mm，下弦杆的内力最大，值为91.8MPa。

3.3方案分析

分析比较上述三种不同设计方案的优缺点之后，得出以下几点相关结论：Ⅰ方案的用钢量和支座反力最大，而这恰恰与甲方要求用钢量低、对下部结构负荷小的要求相违背；Ⅱ方案在索施加预应力的作用下，用钢量最省，如对索施加预应力来达到控制结构挠度的要求，则所施加的预应力较大，其索力约为670kN，上弦杆的断面也相应的增大，而且，施工难度比较大；Ⅲ方案的用钢量和支座反力居于Ⅰ方案和Ⅱ方案之间，且施工也不难，挠度也满足规范的要求。由于结构的自振特性是结构动力的基本性质，也是动力分析的基础。对结构进行动力特性分析可见，拉杆方案的基频远大于拉索方案的基频，则说明Ⅲ方案的面内刚度大于Ⅱ方案的面内刚度，抗震性能良好。

三、结束语

综上所述，拱桁架结构目前在建筑结构设计中的应用已经十分常见，尤其是在大跨度空间结构中，其以自身所具备的良好经济性、实用性，受到了建筑设计人士的广泛喜爱。鉴于拱桁架设计重点在支座处理，设计时如果在拱桁架结构下方增设拉杆，利用拉杆来分散支座受力，缓解支座荷载，可在更大程度上提高拱桁架荷载能力，优化结构，降低工程造价成本。由此可见，在拱桁架结构设计中，最佳的设计优化方式是支座处理，只要处理好了支座受力，最终所获得的工程效果势必会更好。

参考文献

[1]唐炯,秦冬祺.大跨度单榀拱桁架的非线性稳定分析[J].科技情报开发与经济,2008(34)

[2]李海旺,任澜涛,杜成云.某煤棚拱桁架结构动力特性及地震响应分析[J].科学之友,2010(03)

分析工程结构优化设计理论与方法 篇4

结构优化设计就是在满足使用要求的前提条件下, 进行结构方面的调整, 或者是减少原材料, 或者是将结构简化等步骤。

传统的结构优化设计主要是根据结构设计人员的经验进行判断, 提出一些较为基本的方案, 然后在根据一些判断方法进行优化直到满足为止。但是传统的结构优化设计的缺点在于结构优化设计只能对非重要的承载结构进行调整, 而且更为麻烦的, 这种调整是牵一发而动全身的, 很难以一步到位, 这就需要设计师具有丰富的经验, 并且也将花费甚大, 而面对特别复杂的结构的情况下, 这种优化设计几乎无计可施。

上世纪50年代, 随着电子计算机的发展, 很多工程问题可以再借助计算机而得以不断的解决出来, 如今常见的有限元分析方法, 就是通过计算机建模加载一些参数, 可以得出结构体中某些部位受应力分布的情况, 可以在做大量的模型情况下选择一种比较满意的结果。同时随着数学规划的引入, 也给结构优化设计带来了很大的便利, 因此, 将有限元分析方法和数学规划有机的结合在一起, 可以在很短的时间内就能够实现结构的优化设计。

而与此同时, 另一个优化理念-准则法被广泛的使用, 它是基于某种物理方面的性质而设立的, 建立相应的迭代算式 (多次反复的重复计算) , 计算结果直至收敛。

后面引神经元网络技术, 其具有自适应性和自组织性的能力, 可以模拟人脑进行不断的自我学习的过程, 其中一种情况是模仿, 用规定的模式进行学习和模拟, 另外一种是仅仅限定某些学习的规则, 并不直接提供过程, 因此此方式更加接近人脑的过程。

1 大型结构优化设计

1.1 大型结构设计的要求

好的结构设计是指在在正常施工和建设的状态后, 能满足如下的几个要求: (1) 安全性原则:无论怎样的结构设计, 在建设完成后, 首要的问题即为安全, 在正常的设计使用寿命之内, 不能出现任何关乎到建筑结构安全的事故, 即使是在存在突发状况下, 如发生地震、泥石流等自然灾害的情况下, 不至于发生倒塌等的事故; (2) 适用性原则:在使用的过程中, 不能出现过多影响使用的问题, 如墙体出现不可接受的大的裂缝、倾斜等事故。

1.2 大型结构优化设计的困境

尽管基于有限元的分析方法已经得到了普及, 且对于特定的结构问题也有相当多的案例。优化理论和算法也日渐增多, 但是事实上有限元分析法和优化方法的结合的使用方法在实际使用过程中却并多见。一方面来讲, 随着建筑方面的发展, 越来越多更加复杂的钢结构正在不断的被设计出来, 与此同时, 针对这些日益复杂的钢结构的优化方案却是屈指可数, 并且更为棘手的是, 随着摩天大楼的不断涌现, 结构的优化设计做的不好, 不仅会对整个建筑的安全产生较大的隐患, 而且在经济上来讲, 会造成较大的浪费。

2 结构优化的方法

结构优化的方法按照优化的层次不同可大致分为尺寸的优化、形状的优化和拓扑结构的优化。其基本过程为假设、分析和多次重新设计的一个过程, 具体即是为了找到一个结构的最合理的方案, 需要对结构设计进行重新评估, 对方案进行不断的修改和优化, 最终能够实现获取最优解的目标。其中尺寸优化的方法因其基本, 正在逐渐的被淘汰。而拓扑结构也将会是发展的趋势。

2.1 尺寸优化

在结构的类型、材料和布局等的几何尺寸不变的情况下, 优化各个组成构件的截面尺寸, 使得结构最轻或者最为经济而选择的优化方法。优化的变量可以为杆的横截面积, 也可为厚度或者为材料的方向角度等。在进行有限元计算的过程中, 可以利用数学规划方法和敏度分析等就可以进行对尺寸的优化。

2.2 形状优化

形状优化的主要特征是研究如何确定结构的边界形状或者是内部的一些几何形状, 从而可以改善结构的特性。而确定几何形状的目的是为了降低应力的集中, 或者是可以改善应力的分布, 这个也是解决因应力集中或者是疲劳导致的破坏问题的一种非常有效的手段。

2.3 拓扑优化

拓扑优化是结构优化的一种。结构优化可分为尺寸优化、形状优化、形貌优化和拓扑优化。其中尺寸优化以结构设计参数为优化对象, 比如板厚、梁的截面宽、长和厚等;形状优化以结构件外形或者孔洞形状为优化对象, 比如凸台过渡倒角的形状等;形貌优化是在已有薄板上寻找新的凸台分布, 提高局部刚度;拓扑优化以材料分布为优化对象, 通过拓扑优化, 可以在均匀分布材料的设计空间中找到最佳的分布方案。拓扑优化相对于尺寸优化和形状优化, 具有更多的设计自由度, 能够获得更大的设计空间, 是结构优化最具发展前景的一个方面。图示例子展示了尺寸优化、形状优化和拓扑优化在设计减重孔时的不同表现。

3 结构优化的理念

在分析过程中, 需要在满足各种参数的情况下, 并求出满足不同的约束条件, 且使得目标函数能得到最小值的设计方法。

(1) 数学模型建立:根据需要分析的结构对象, 对之进行相对应的数学建模。 (2) 变量的设计:变量即为可以在某种程度上描述结构的量, 包括设计截面的几何参数等信息, 可以是柱的高度等等。变量又包括连续性变量和离散型变量, 连续性变量可以实现连续变化, 而离散的则不能实现连续变化。 (3) 目标函数:通常可以衡量设计好坏的一个较为重要的指标, 可以反应设计的性能, 也可以反应一些经济性能。 (4) 约束条件:通常可以大致的分为几何约束以及性态约束。通常几何约束指的是在几何尺寸等方面加以限制, 几何尺寸不会发生太大的变化。而性态约束通常是指的是结构的固有的一些性质, 如震动频率等不发生变化。

4 结语

结构优化设计的发展趋势为: (1) 拓扑结构的发展:从拓扑结构的结构优化设计的理念中可知, 拓扑结构具有良好的发展水平, 尽管正处于开始阶段, 但是已经展现出了良好的前景; (2) 有限元计算和优化方法的结合:随着有限元计算方法的功能日益强大, 且随着优化的计算方法的适用性更高, 会对优化设计起到很大的辅助作用。

结构优化设计是一个系统的过程, 并且随着计算机的性能提高和各种优化算法的提出, 优化设计呈现快速发展的态势。以结构动态响应为约束的动力优化设计具有十分现实的工程背景, 它将成为今后广为关注的一个前沿性课题。

参考文献

340省道面层结构优化设计 篇5

针对340省道金坛段超载严重,交通量的分段和分幅差异较大的现状,对原设计方案进行了优化,考虑了超载因素对路面设计参数的.影响,对路面结构分段、分幅采用不同的设计方案,具有一定的针对性,满足道路使用要求.

作 者：叶恒鑫 刘建荣 吴晓伟 Ye Hengxin Liu Jianrong Wu Xiaowei  作者单位：叶恒鑫,Ye Hengxin(江苏省交通厅公路局,江苏,南京,210004)

刘建荣,Liu Jianrong(常州市公路管理处,江苏,常州,213001)

建筑结构设计优化对策 篇6

关键词：建筑结构 优化设计 地下室盖板

当前，我国城市的进程不断提速，一方面土地资源稀缺，另一方面城市建筑、交通等都有向地下发展的趋势。特别是高层建筑的出现，地下室一般都设置两层甚至是三层，这也对我们的设计、施工等工作带来了新的挑战。建筑与人们的生活工作关系密切，因此，我们必须要在建筑设计上综合进行考虑，才能满足人们的基本要求。本文就对建筑结构的设计进行简单的分析，并提出一定的优化对策。

1、建筑结构设计优化的基本要求

1.1、安全性

建筑物作为我们生活、工作的基本场所，是我们赖以生存的必须环境，因此，建筑结构首先必备的要求就是安全性。我们在进行建筑结构设计时第一要求就是安全性。所以说，建筑结构的优化设计不仅仅是对建筑的成本、功能等因素进行考虑，需要首先考虑建筑结构的安全性，围绕安全性开展其他的工作。

1.2、使用功能

建筑物的本身是带有使用功能的，它要为使用者提供必需的场所，随着社会的进步及新技术的使用，人们对建筑的要求也是越来越高。我们在进行建筑结构设计时必须要考虑到建筑的实用性、美观以及舒适要求，在结构的优化设计时要考虑到使用者的使用功能要求。

1.3、经济性

市场经济下，我们也要考虑到建筑的成本，建筑要满足经济性的要求，完成成本控制，使得资源能够得到有效的使用。

进入到新时期后，建筑结构设计还要能够考虑到环保的要求，并采取相应的措施达到节能的效果。我们可以在设计时选择环保节能的材料，优化建筑结构设计，比如采用节能门窗等措施。

2、抗震设计

地下室墙柱必须与上部墙柱统一协调。地下室的顶板如果出现内外板面的高差时，当高差超过梁高，就会出现错层，需要采取相应的措施使得其作为上部结构的嵌固结构，国家规范明确规定，地下室顶板必须采用梁板结构才能作为上部结构的嵌固，如果地下室顶板设计采用无梁盖板式的设计时，则顶板不能作为上部结构的嵌固。在进行结构计算时，嵌固端必须要计算至地下室的楼层或是到底板位置，剪力墙加强区在计算时应当包括地下室，然后在从地面开始向上计算。

3、地下室外墙的设计考虑

3.1、在地下室外墙配筋的计算过程中，外墙采用扶壁柱则不需要考虑扶壁柱大小尺寸，全部按双向板进行计算配筋，但是，地下室整体的配筋电算分析时，荷载的传递验算却没有按照双向板的考虑。我们根据外墙对扶壁柱的变形协调原理可以知道，这样的配筋竖向钢筋配筋不足，扶壁柱的配筋量少，但是水平筋配筋有富余。因此，我们在进行计算时，垂直外墙方向布置内墙（钢筋混凝土）的外墙以及外墙扶壁柱的尺寸大的外墙板块需要按照双向板考虑配筋大小，剩余的外墙板块可以按照单向板来计算配筋值的大小。对于受竖向荷载较小的扶壁柱，对其柱主筋要进行一定的加强处理。外墙水平分布筋的配筋则需要考虑扶壁柱的大小尺寸，对于部分区域可以适当的设置短水平负筋，外墙的转角处也可以参照这种措施进行加强。

3.2、地下室的外墙在计算时，底板要作为外墙的嵌固部位，底部的弯矩同底板的弯矩，既底板抗弯能力要大于侧壁的，配筋及底板厚度要能相匹配，比如地下车道的设计，车道侧壁属于悬臂结构，底板的抗弯设计需要大于侧壁的底部。

4、结构平面设计

建筑结构的设计需要对人防、防火、设备、排水、通风等等综合进行考虑。比如，建筑长度值超过了国家规范的长度时，我们需要对其设置变形缝，一般我们都是尽量不设置或是少设置变形缝，变形缝的设置会增加防水施工的难度，并且防水处理效果也不是很好。在设計时可以考虑后浇带的使用，后浇带的混凝土掺加外加剂，或是选择地上设峰地下不设置的措施来保证我们的需要。如果使用后浇带的措施也不能解决地下室过长的问题，我们可以通过对地下室分割的措施，调整地下室平面的布置，将其分割为几个地下室，采用较窄的通道进行连接，连通管道的同时还能满足使用的功能要求。在建筑结构设计时还要考虑到采光井位置的布置，如果位置选择不合理，如将采光井布置在侧壁的外侧，这将造成采光井的外侧不能与地下室顶板有效的连接失去了整体性，不能将上部的地震及其他作用力传递到地面，达不到建筑的埋深要求。

5、抗浮设计

地下室埋深浅或是地下水的水位较高时，有可能出现地下室的抗浮不能满足要求的现象。我们需要采取以下的处理措施“

5.1、在符合国家规范的要求下，尽量的提高基底标高，这样就能降低抗浮的防水位。建筑基础一般选择的都是平板式或是梁板式筏板基础，两者之间回填覆土的重量相差不多，单是梁板式筏板基础的高度要高于平板式筏板基础，在基础顶标高相同时，梁板式的基础埋深大于平板式基础。因此，两者之间采用平板式筏板基础能够降低抗浮水位。

5.2、楼盖的选择宜使用无梁盖板或是宽扁梁。宽扁梁的界面高度一般为梁跨度的1/22～1/16，采用宽扁梁的设计能降低地下结构的层高，这样也能够相对的降低抗浮水位。需要注意的是，宽扁梁的配筋量很大，施工起来难度也较大，混凝土浇筑存在一定难度，因此，在选择时要视情况具体确定。

5.3、增加地下层高；采取这种措施能增加地下室的重量这样也能有效的解决地下室的抗浮。使用这种方法需要考虑地基土的荷载能力，在对主体结构的地基承载力进行深度修正时， 增加地下室的层高可以提高主体结构的有效埋置深度，从而提高了主体结构修正后的地基承载力特征值。

6、地下室的不均匀沉降

针对地下室不均匀沉降的现象我们可以采取以下的措施来进行处理：

6.1、在裙楼与主楼间设置沉降缝，使得两者间的沉降互相不发生影响，这也是一种释放应力的方式。采用这样的措施会给建筑立面、防水等施工带来一定的难度，且整体稳定性也造成一定影响。

6.2、主楼与裙楼间不设置沉降缝使用端承桩的处理措施，桩要置于坚硬层上。使用端承桩能够提高地基的承载力，还能降低沉降差。这种处理措施使用的材料较多，增加了施工的成本，仅适用在地基持力层较差或是超高层建筑的设计当中。

6.3、布置后浇带，在施工时先施工主楼部分，裙楼部分预留钢筋，在主楼封顶大部分沉降完成后再施工裙楼部分。两者间沉降稳定后浇筑后浇带。这样能够解决沉降的问题，且不用设置沉降缝。

总结：

建筑结构设计设计到的专业较多，我们需要将其作为一个系统且复杂的过程来进行，我们的设计人员一方面要扎实自己的专业知识，同时还要在实际的工作中多多积累经验。在设计的每个环节中严格要求自己，从安全、使用功能以及成本等方面考虑，合理的完成设计工作。

参考文献：

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[2] 韩克航.《试析如何做好建筑结构设计以提高建筑的安全性》 [J].《科学与财富》，2011，（07）.

[3] 李 享，谭素群.《地下室结构设计中的若干问题》[J].《山西建筑》，2007，33（11）.

[4] 陶世伟.《建筑结构设计的优化设计研究》[J].《城市建筑》，2013，（24）：67.

工程结构优化设计 篇7

设计方案:建筑的结构设计中方案的设计是最重要的部分, 方案的设计主要包括结构的选型、布置、以及主要部件的尺寸的估计以及对结构内容的初步分析, 在结构选型上要注重基础结构选型以及上部的结构选型这两方面的内容, 结构的选型实际上就是对于建筑物的结构设计提出不同的方案来选择, 对于选择出来的方案要进行一定的评判, 选择出最为满意的结构方案。

进行结构的设计:建筑物整体的结构设计主要指的是在设计时要把建筑物的电器设备线路、给排水的状况、建筑物本体的结构全部都包括在内的, 进行综合的考虑, 形成初步的设计方案。在这个设计阶段, 设计师们在设计时应该考虑到比如建筑物的层高、楼板的厚度、以及梁柱的尺寸等的内容都需要设计师作出一个大体的数值范围, 然后设计师们再通过一些标准的测定值来对这些数值进行综合的测评, 从而判断这种结构是否合理, 在结构的设计中还应该达到一定的抗震要求以及此结构一共可以承载的能力, 设定出一个极限值。

进行构建的设计:建筑物构件的设计主要是指块体、板、梁、柱、墙这五部分的设计。其中柱和梁是细长杆件其计算体系与内力的情况是很符合的, 而对于板的计算来说呢, 单向的板的计算可以作为单位宽度的梁的标准来进行计算。现在双向板的计算方式和理论也变的比较成熟, 而异型板的计算就比较复杂了, 在设计中应当尽量避免。对于墙来说, 单片的剪力墙我们一般会把它看作是薄壁的柱来进行大体的计算, 有时还会用到空间力学的方法, 对于块体的计算来说一般比较复杂比较难以进行准确的判断, 所以在计算块体的过程中往往都会加大计算的安全系数, 从而保障建筑的安全。

最后一个重要的部分就是绘图了, 设计师所绘制出来的图都是他们的创意和想法在纸上的完整体现。图纸就是设计师设计时的语言, 所有的一切都完整的表达在这一张纸上, 是进行施工建设的人员所进行工作的重要的依据。图纸的好坏将直接影响到工程的质量与进度, 所以说在图纸的绘制过程中, 一定要确保图纸的准确度, 从而保证施工的顺利无误的进行。

二有效控制工程造价的方式

建筑结构设计阶段是控制房地产成本的关键。并不是说在设计的费用上需求比较多而是在设计完成后运用到实际的施工中, 对工程的造价影响是比较巨大的, 所以说一个好的建筑设计在工程造价方面一定要好好的把握, 进行合理科学的结构设计不仅仅使人力、财力、物力大大的节省了, 而且也从根本上降低了工程的成本。在设计图完成时候的审核也是比较关键的一个环节, 要尽量做到把设计的变更放到工程实施之前, 这样就可以尽量减少因为施工方案的变更而引起的费用的过度支出。

还要加大审核力度, 要做好工程量的审核, 重点就是审查工程量是否存在错算、重算、漏算的现象, 在审查的时候一定要针对重点进行详细地核对和计算;其次, 要精通工程量的计算规则, 工程量的准确性决定着工程进行预决算的质量, 只有完全熟悉其计算规则, 才能将工程量准确无误地计算出来;第三, 要对预算定额的分部分项的工程内容进行熟悉;最后, 还要对定额子目、材料价格、工程签证、工程费用、项目的各项乘积、小计和合计分别进行审核。

三有效控制工程造价就要遵循建筑结构设计的优化原则

(一) 经济适用性原则

经济性原则的是指在设计中要充分考虑到经济的因素, 其中经济因素还包括两个主要的方面, 一是保证安全与使用的前提下做到造价最少, 最经济;第二种情况就是在造价一定的基础上要实现发挥其最大的效益, 实现收益的最大化。建筑物建造的目的就是供人们生活和生产工作使用的, 所以建筑物必须发挥其建造时的目的, 不能与之相违背, 发挥不了它特定的功效。

(二) 安全、美观、持久性原则

安全因素建设施工时应该首要考虑到的建设因素, 是进行设计建设的根本, 所以在选材以及施工方案的设计上一定要遵循这个原则, 从而使建筑物设计得既实用又安全。建筑物所能存在的时间就是建筑物的寿命, 这就是在设计时要充分考虑到建筑物所采用结构的合理性, 以及建筑所采用的材料是不是具备一定的耐久性等等。建筑物的建造应该具有一定的观赏性, 人们对美的观赏追求是永远也不会满足的, 建筑物的建造一定要在保证其他原则的基础上, 在合理的造价范围内, 加大对于观赏性的设计力度, 赋予建筑物以独特的灵魂以及满足人们在观赏时候的精神享受。

(三) 便于施工、节省造价原则

一个好的设计师在进行建筑结构的设计时应该首先要想到这样的设计是否有利于施工的方便进行, 因为建筑结构设计的好坏将直接影响到施工的难度以及工程完成质量的好坏, 设计师在设计时要充分考虑到这一点, 在设计过程中需要采取一些必要的措施以及日常应该积累的经验, 例如在设计中要尽量避免使用过多的截面种类, 在满足业主的需求上要尽量使结构的构件与混凝土的强度尽量的统一起来, 设计师进行实地的勘察也是很重要的, 要尽量避免一些太过复杂的设计, 因为有的设计在施工图上看起来并没有什么疑问, 但是在实际操作上却很难进行施工, 所以这就要求设计师在进行一些复杂建筑的设计时要充分考虑到周边的环境以及施工单位的装备是否齐全, 积累一些经验, 牢牢地把握一些必要的施工技巧。

四结语

工程结构优化设计 篇8

国内经济的飞速发展, 人民生活水平的改善推动了国内房地产的兴起, 建筑行业的进步, 大型建筑譬如写字楼、办公楼、居民楼的出现产生了大量的深基坑的工程, 其发展、安全可靠性也越来越受到人们的重视。深基坑的支护主要有几个作用, 保证施工的安全可靠, 稳定坑壁, 同时保护了建筑周围的建筑物、构筑物和地下管线, 对开挖和建造地下室, 保证支护施工的经济与合理提供便利性。因此基坑支护的设计的安全性、便捷性和经济性直接影响着深基坑工程整体的质量[1]。本文以前人研究为基础, 从系统工程的观点出发, 深入研究了深基坑工程优化设计的基本原理, 应用最优化设计理论着探讨了如何选择支护方案决策的方法。

1 建筑施工中深基坑支护的意义

基坑工程既古老却又与时俱进, 烙印着时代的印记。基坑定义为在对建筑物包括构筑物基础与地下室的施工而开挖的地面以下的空间, 而开挖深度等于或大于5.0m的基坑一般被划归为深基坑。在整个建筑施工过程中, 挖掘深基坑的方案是整个项目正常施工的基础和关健, 特别是高层的建筑物, 深基坑的施工质量, 直接决定了建筑物的安全性、稳定性和使用的寿命[2]。如何在已有大量建筑的市区内挖掘深基坑对基坑工程和支护技术提出了巨大的挑战和严格的要求, 也加大对深基坑工程的设计理论和现场施工技术的要求, 即基坑支护构造不仅要满足承载能力设计要求, 还要满足地下结构施工和基坑周边环境正常使用功能的要求。所以, 为了保证建筑工程周围建设的使用正常和安全性, 避免挖掘基坑影响地下室和地下管道的正常使用, 事先需要对施工的地面进行全面仔细的施工检测和勘察设计。在挖掘建筑物的深基坑时会遇到结构力学、液压等方面的问题, 综合性很强, 因此有必要进行正确有限的的理论计算。构建深基坑支护结构体系需要保证周边建筑物的安全及功能不受到影响, 并且防止地下水进入基坑中, 保证深基坑施工环境的干燥程度[3]。

2 深基坑支护结构的种类

深基坑支护结构种类有很多, 根据地质环境、施工地貌的不同, 可选择不同结构自由组合, 极大的确保了深基坑支护结构的安全性和稳定性。一般的深基坑支护结构有边坡稳定结构、护坡桩与板墙结构、泥土挡墙结构、排桩支护结构、内支撑支护结构、拉锚式支护结构和复合型支护结构。边坡稳定结构有喷灌支护和土钉墙两大结构, 土钉墙主要由密集的土钉群组成, 通过喷射混凝土面层, 确保了原位土体的牢固性。护坡桩与板墙结构主要由土层锚杆、围护墙和防渗帷幕组成;水泥土挡墙结构通常没有支撑, 主要通过抗变形能力和本身重量来确保基坑坑壁安全, 在某些特殊情况下, 也可以采取一些方法在需要加固的局部位置加上支撑;排桩是采用密排或一定间距排列的桩组成的挡土结构, 适用于侧壁安全等级为一、二、三级的基坑非软土场地当基坑不太深时可采用悬臂式, 悬臂式结构在软土场地中不宜大于6.0m。当基坑较深时可与支撑、锚杆等配合组成挡土。内撑式支护结构由支护结构体系和内撑体系两部分组成。支护结构体系常采用钢筋混凝土桩排桩墙、以工法、钢筋混凝土咬合桩和地下连续墙型式。内撑体系可采用水平支撑和斜支撑。拉锚通过在在开挖基坑的稳定地层中锚固段固定一种新型受拉杆件的一端, 而将另一段与工程构筑物 (钢板桩、挖孔桩、灌注桩以及地下连续墙等) 相联结, 主要作用确保了土层或构筑物的牢固性。近几年来兴起的复合型支护体系, 作为新的深基坑边坡支护方法, 摒弃传统单一支护的概念, 对于同一个基坑, 根据不同的地质条件和环境条件, 因地制宜地采用多种支护手段支护深荃坑的边坡土体。

3 深基坑支护结构的设计流程

基坑工程的设计内容, 通常包括:支护结构体系方案的选型和对比, 支护结构的变形和强度计算, 围护墙的抗渗计算, 基坑稳定性验算, 降水方案, 挖土方案, 环境保护和监测方案。在深基坑工程的设计内容和依据下, 对建筑物总平面配置、基坑开挖范围及深度、工程勘察资料、建设单位要求、相关规范及技术标准等方面进行调查收集资料;然后分析周边现状建筑物状况、周边管线状况、周边交通状况、相邻地区基坑设计施工经验、主体结构配置要求;根据这些分析, 对基坑安全等级、岩土参数选取、重要性参数进行设计, 完成初步设计, 在初步设计完成以后, 进行对支护开挖、基坑降水或排水方案的设计, 最后进行稳定性的运算, 如果满足强度控制、变形控制, 那么再进行施工图的设计[4]。

4 基坑支护结构的设计原则与方法

在进行基坑支护结构设计时, 其一般应遵循的设计原则是: (1) 重视基本理论的指导作用; (2) 设计中计算分析全面, 避免“漏项”, 并且应考虑各种不利条件下的“工况”; (3) 做好基坑工程总体方案的选择; (4) 做好地下水和地表水的控制; (5) 充分运用“时空效应”的概念解决支撑工作和软土地区基坑开挖中遇到的难题, 科学合理的制定支撑和挖土方案, 减少位移、保证基坑安全; (6) 认真仔细监测工期, 如果出现异常情况, 应立即采取有限措施解决问题; (7) 研究和应用己有的基坑工程行业的和地区性规范以及当地的工程经验。以以上原则为依据选定合理的的设计方法。在设计基坑支护结构时, 应当根据极限环境下的状态表达式进行计算, 同时需要划分支护结构的极限状态, 一般以正常使用极限状态和承载能力极限状态和为主。正常使用极限状态其所对应的状况是支护结构产生严重变形已妨碍了结构施工甚至于影响到了周边建筑的正常使用。承揽能力极限状态是指支护结构已承受了最大限度的压力甚至于土体变形严重、存在着失稳从而破坏了基坑周围环境和支护结构。因此在设计基坑支护结构时, 需要计算其承载力极限状态, 通过计算支撑的承载力和稳定性、土体稳定笥、结构承载力及锚杆后, 从而对极限状态进行掌握。另外对于支护结构变形有限定的基坑侧壁, 则还需要验算基坑周边环境及支护结构变形的情况。

5 深基坑支护结构优化设计

(1) 深基坑支护结构优化方案的选择在深基坑支护结构工程中, 其深基坑支护结构优化方案的选择要考虑到深基坑开始挖掘时有关土壤以及土壤中地下水等造成的影响, 所以深基坑支护结构方案的选择要根据施工地点的地下土壤情况、深基坑的挖掘深度等因素综合考虑并选择合适的深基坑支护结构方案。

(2) 优化深基坑支护结构方案设计的参数

优化桩与桩径间距。桩与桩径的间距是直接影响了支护结构的经济性及稳定性。一定范围, 桩间距的变大会影响基坑的变形。减小桩间距会增加桩数量, 提高造价, 并且不能充分发挥桩间土体的承受能力。增大桩间距, 会造成桩间土体不稳从导致其从桩间滑落。所以科学合理选择桩间距十分重要, 合理的桩间距能充分发挥土拱效应, 既保证了经济效益, 也确保了基坑的稳定性。

优化嵌固深度。设计深基坑支护结构中, 设计桩所嵌固的深度是关健, 过浅的嵌固深度会降低基坑稳定性。过深的嵌固深度无法保证支护结构的稳定性, 同时会额外的消耗资源能源, 加重经济成本。因此, 对合理的选择桩的嵌固深度非常重要, 需要根据安全及经济两个方面的平衡来选择。

在实际施工中, 深基坑支护可以选择的类型较多, 所以需要根据施工的具体情况及相关的工程经验来进行选取, 同时基坑支护作为一种结构体系, 要设计时要充分地满足稳定性和变形的要求, 具有良好的承载能力。同时在设计时还要根据具体的水文和地质条件来进行分析, 从而确保支护结构的安全性、适用性和经济性。

参考文献

[1]肖荣军, 史宏彦, 杨雪强.深基坑排桩支护结构设计方法研究进展[J].土工基础, 2013 (3) :50~53.

[2]朱占国, 赵文, 李慎刚, 纪新博, 唐志扬.地铁深基坑支护结构计算方法研究[J].地下空间与工程学报, 2013 (5) :1109~1114.

[3]朱桂春, 刘兴鑫, 韩武娟.深基坑桩锚支护体系的受力变形研究及优化设计[J].安全与环境工程, 2012 (1) :124~128.

工程结构优化设计 篇9

随着经济的不断发展,社会的建设逐渐多元化。尤其在建筑行业,人们对建筑结构的质量、结构、性能、风格等都有了较高的要求。进而基于这些需求,加剧了工程造价的成本输出。因此,在实际的工程建设过程中,需要合理的控制好工程造价与建筑结构的关系,尤其是关于建筑结构的优化处理。通过有效的优化建筑结构设计,可以很好的控制好工程造价的成本输出。

1 工程造价与建筑结构优化设计的关系

随着人们生活理念的转变,现代建筑行业逐渐的多元化和现代化。尤其在建筑物的结构设计上有着更高的要求。而且建筑物结构美观、功能好、性能稳定等都是现代建筑的实质性需求,而这些需求都造成了工程造价的成本输出。因此在实际的工程建设中,合理的优化建筑结构是降低工程造价的重要方面。

工程项目的盈利情况,很大程度上依赖于控制好工程造价和建筑结构之间的关系。一个项目施工建设的两个关键任务就是优化好建筑设计和合理的工程造价。而且合理有效的结构设计可以减少成本的预算,尤其在材料、施工上都可以很好的减少造价,进而很好的降低成本的输出。由此可见,工程造价的高低,很大程度上依赖于合理的建筑结构设计,而且良好的建筑结构设计可以很好的保障施工的质量。同时,处理好两者之间的关系也是规范当今建筑行业所必须的。

2 建筑结构的需求

随着人们生活水平的提高,其对于建筑结构的性能、风格等的要求逐渐的提高,进而使得建筑结构在设计的过程中,需要诸多领域的需求。

1)建筑物的性能需求加强,建筑物在使用的过程中,房屋的安全性能是一个重要的因素,同时房屋的安全性能直接影响着其造价成本的输出。因此,在实际的建筑施工中,需要特别把好质量关。尤其是应对自然灾害的安全性能要求比较严格。近年来,我国的自然灾害频发,这就使得建筑物在建设的过程中,强调其抗自然灾害的能力。尤其在面对地震的自然灾害时,其要求要有良好的抗震性能。进而要求建筑物在结构的设计时加强对建筑物的内部和材料上的要求,来确保其良好的抗震性能。所以,建筑物在建设的过程中,加强了建筑物的地基处理、材料选购和防震设备的安装,进而增加了工程造价的成本输出。因此,在建筑物的结构设计时,应该合理的优化建筑物的结构,进而在保障其性能的前提下,来控制建筑物的工程造价的成本输出。

2)建筑的风格要求,影响着工程造价。随着人们的生活观念的转变,其在房屋结构上的要求也越来越多元化,尤其是在建筑结构的风格上具有较高的要求。基于我国建筑风格的发展,越来越注重欧式房屋的建筑风格,这种风格在外观上更加的大方,而且建筑物的装饰结构大大的多于普通结构。进而,在施工的过程中,建筑物的外观设计影响着工程的造价。所以,在建筑物的风格设计上,既要突出现代人的审美需求,同时需要根据实际的需求,对其建筑结构进行优化以及处理。而且,从实际的施工情况看,一些高档建筑,其设计结构的理念不同,会使得其工程造价的成本输出相差很大。

3)建筑物高度增加,影响工程造价。随着我国城市化建设的加快,我国的建筑结构逐渐大型化、高楼化,进而增加了工程造价的成本输出。众所周知,随着建筑物的楼层升高,其施工要求、施工环境等都将发生改变。尤其是在施工工艺上,要求更加的严格,需要更多的高层施工工具和机械,而且楼层的增加,使得建筑物的外延装修等领域增加了工程造价的成本输出。这些都会加剧工程的造价。因此,在进行建筑物的楼层设计时,需要依据设计的要求和实际的市场需求,不断的优化建筑结构的设计,进而有效的控制好工程造价的成本输出。这同时也是规范我国城市建设的重要方面。

4)建筑物的功能需求增多,影响工程造价。随着人们的生活需求不断的改变,其在建筑功能上更加的追求舒适。因此,在实际的建筑物建设中,其在基础设备的安装上,更加的追求高科技,自动化的生活模式越来越受到现代人的青睐。从而,在实际的生活设备的安装中,基础设施的造价成本输出加大。因此,在结构设计时,需要合理的依据建筑物的结构来进行基础设备的设计。这样不仅满足了建筑的需求,而且满足了现代人的生活需求。

3 设计结构的选择

随着人们生活水平的提高,现代建筑结构逐渐的多元化。尤其在楼层的结构设计上,注重结构设计的科学合理。因此,在实际的工程建设中,合理的选择结构设计是控制工程造价的关键。而且不同的楼层结构设计,其工程造价有着巨大的差别。尤其是在大型的建筑结构中,合理的选择设计结构非常的重要。因此,基于现在建筑的结构特点,在控制楼层的高度结构时,一般采用高强度的梁结构,进而来减小楼层的高度,同时采用平行框梁结构,来增加建筑物的空间面积。所以,在实际的结构选择上,要根据实际的建筑要求,采取有效的设计结构,进而可以很好的减少造价成本的输出。

当然,在进行设计结构的选择时,其结构的安全性能是首要的因素。在保障工程质量的前提下,需要合理的控制好钢筋混凝土的强度,这样既保障施工的质量,同时设计的结构更加符合现代人的生活需求。

4 建筑材料的选择

现代的建筑物,大都是砖混结构,其在结构性能上比较稳定。但其在材料、施工等领域的要求比较高,而且材料的成本输出占到整个造价成本的65%,从而足见材料选择的重要性。建筑材料的选择是关系施工质量的直接因素。因此,在实际的工程施工时,需要根据实际的设计需求来合理的选择材料。尤其是在水泥的材料选择上比较的重要。选择的水泥需要符合设计需求,其在强度、粘性等方面都要严格的按照施工建设的要求来控制。

5 施工工艺的选择

现在的建筑施工对施工的工艺要求比较严格,尤其是钢筋混凝土的施工工艺直接影响到建筑物的工程质量。因此,在施工工艺的选择上,需要依据设计的需求,开展合理的施工建设,这样可以避免在施工过程中,人力资源的浪费,进而增加了人力成本的输出。同时合理的施工工艺也可以很好的加快施工的进度,进而缩短施工的工期。因此基于这些,合理的施工工艺可以很好的减少工程各领域中的成本输出,进而可以为企业赢取更多的经济利益。

6 结语

随着现代社会的发展,现代建筑结构发生了本质性的转变。尤其在建筑物的风格、性能、功能上有着更高的需求。因此,在实际的建筑施工中,需要合理的控制好工程造价与建筑结构优化之间的关系,进而更好的降低工程造价成本。

参考文献

[1]杨雪宁,王国修.建筑结构设计中工程造价控制探讨[J].工程建设与设计,2010(12):16-18.

[2]寒军,黄宇.工程造价与建筑结构优化设计的关系[J].低温建筑技术,2010(6):70-71.

[3]钱学军.合理优化的结构设计——建筑工程造价控制[J].设计新潮,2008(5):40-41.

[4]项兵.浅谈高层建筑的结构设计与建筑成本的控制[J].二级创新导报,2008(13):8-10.

[5]李君红.浅议住宅建筑设计与工程造价的关系[J].石河子科技,2009(3):53-54.

工程结构优化设计 篇10

关键词：汽油发动机,平衡重布置,曲轴载荷,轴承载荷

引言

曲轴是发动机的最重要的零部件之一, 其自身的强度和刚度对发动机的可靠性有着决定性的影响, 而曲轴的平衡性能也会对曲轴自身及发动机主轴承的工作条件产生影响, 因此曲轴的优化设计对提高发动机可靠性和耐久性, 甚至整机的振动、油耗都具有重要意义。

直列四缸内燃机曲轴通常采用曲拐夹角为180°的对称平面曲轴结构, 其本身已动平衡, 但要承受较大的内弯矩[1]。为使曲轴达到内平衡需要布置平衡重, 合理的布置平衡重可以有效减少曲轴受力、主轴承负荷及内力矩, 四缸机平衡重布置通常可按分段平衡法布置四块平衡重, 或按完全平衡法布置八块平衡块。四平衡块布置法结构简单、重量轻, 但内弯矩大、单个平衡重大, 而八平衡块布置法相对来说结构较为复杂, 重量较重, 内弯矩较小、单个平衡重小、对轴承的载荷较小。

随着计算机技术在发动机开发中的应用日趋广泛, 曲轴的设计开发也更加高效、准确、全面、可靠。通过以PRO/E等计算机三维软件的广泛应用, 使曲轴结构设计更加高效、准确, 也使曲轴的结构优化更加便利的实现。而通过以AVL Excite等仿真软件的应用也为曲轴设计完成后提供模拟仿真, 使得虚拟验证成为一项重要的向工程师提供合理的改进优化建议的方法[2]。

东安汽发在开发一款高性能汽油机中, 采用两种曲轴平衡重的布置方案即一种方案为四平衡重, 一种为八平衡重。两种方案曲轴采用相同的材料及主轴直径、连杆直径、润滑油道布置等基本结构, 也设计成相同的重量和曲轴系统平衡率。通过仿真软件模拟结果对比两种曲轴自身强度以及对轴承的载荷、轴承摩擦功耗等各项参数, 确定更优的曲轴详细设计方案。设计过程中也对相同曲轴系统平衡率的四平衡重和八平衡重曲轴的油膜压力、油膜厚度等参数进行了对比, 为后续四缸直列汽油机整机平衡设计与曲轴的优化设计提供有力借鉴。

1、两种曲轴方案概述

1.1方案一

方案一采用本机型同系列产品的基本结构, 采用四平衡重曲轴的基本结构, 曲轴平衡率根据本系列同类曲轴系统相同, 确定为90%。曲轴结构三维视图见图1, 曲轴平衡率计算见表1, 曲轴质量为10.294kg。

1.2方案二

方案二采用八平衡重的平衡重配置方式, 通过采用PRO/E三维CAD软件不断对平衡重结构动态优化, 同时保证了平衡率及曲轴重量与方案一相同, 并且曲轴自身达到静、动平衡。

2、仿真模型的建立

采用AVL Excite软件分别对方案一、方案二的曲轴进行曲轴系统动力学仿真分析。

曲轴参数通过PRO/E软件测量、计算得出。缸压曲线来自于GT-POWER对整机建模后性能计算得出。在模型载荷中加载发动机从1000rpm~5500rpm的示工图数据, 并对加载数据进行检查, 图3为4500rpm的示工图。

3、计算结果分析

曲轴平衡重布置方案的不同对连杆轴承影响不大, 在此不做对比。而对曲轴自身受力以及主轴承载荷有一定影响, 以下对两种方案的主轴承最大载荷、主轴承最小油膜厚度、主轴承摩擦功耗、曲轴圆角应力、曲轴圆角安全系数结果进行比对和分析。

3.1主轴承最大单位载荷对比

主轴承载荷大小主要取决于轴承两侧的缸内压力以及曲柄连杆机构惯性力。其中缸内压力是决定轴承负荷的主要因素, 从图5可以看出, 因为第二、第四相邻两缸的点火间隔为180°CA, 受相邻两缸连续爆发压力影响, 最大主轴承载荷相比最大[3], 第三主轴承相邻两缸点火间隔360°CA, 受相邻两缸爆发压力不是连续的, 所以最大轴承载荷偏小, 第一、第五主轴承位于曲轴的两端只承受一个缸爆发压力的影响所以最大轴承载荷也偏小, 并且与第三主轴承数值相近。

而惯性力影响较小, 从图5就可以看出第一、第三、第四、第五主轴承的载荷都没有明显变化, 而第二主轴承下降了0.44MPa (占原轴承载荷的2.8%) 。

3.2主轴承最大单位载荷对比

主轴承最小油膜厚度主要取决于轴承载荷, 载荷越大轴承的最小油膜厚度越小, 从图5和图6对比可以看出。两种方案最小油膜厚度变化不大且均大于1μm, 远远满足设计要求。

3.3曲轴圆角应力对比

曲轴轴颈和曲柄连接的圆角处和油孔附近是曲轴应力集中最严重的部位, 尤其一圆角处更为突出, 所以校核曲轴圆角的应力是曲轴设计较为重要的内容。图7为两种方案主轴颈圆角与曲柄销颈圆角的对比情况。

从图7可以看出主轴颈和曲柄销颈圆角应力在发动机最大扭矩点转速下最大, 而第五主轴承臂受力最大。方案一最大圆角应力为190MPa, 方案二最大圆角应力为182MPa, 比方案一减少4.2%。

3.4曲轴圆角安全系数对比

曲轴的安全系数即曲轴强度的储备系数, 表示曲轴本身的疲劳强调与工作应力之比。

图8为曲轴圆角安全系数的对比, 从图可以看出曲轴最小安全系数在最大扭矩点转速4500rpm, 方案一、方案二的主轴颈最小安全系数均为3.6左右, 曲柄销颈最小安全系数均为3.6左右。方案一主轴颈圆角最小安全系数分布在2000rpm~5000rpm之间, 发生在第四、第五、第八曲柄臂处。方案二则分布在汽车实际使用时发动机不经常工作的4000rpm~5000 rpm之间。方案一和方案二曲柄销颈圆角最小安全系数分布情况基本相当。

4、总结

1) 通过采用PROE等三维建模软件完全可以实现曲轴结构设计的动态优化, 使在保证平衡率、主轴直径、曲柄销直径等基本参数不变的情况下, 将八块平衡重布置结构的曲轴重量降到最低。

2) 采用八平衡重的曲轴在与四平衡重曲轴在相同平衡率的情况下, 主轴承载荷、主轴承油膜厚度、曲柄销处圆角安全系数, 均未能达到想象中显著改善的效果。

3) 采用八平衡重的曲轴的最小安全系数从四平衡重的2000rpm~5000rpm的范围有效缩小到4000rpm~5000 rpm之间。从而有效降低了汽车在使用期间曲轴失效的风险。

4) 综上所述八平衡重曲轴在轴承载荷以及曲轴自身结构强度上, 具备一定优势。但四平衡重曲轴质量小, 成本低的优势毋庸置疑, 设计开发时需要综合评判各取所需, 本文希望对今后的曲轴平衡重布置方案的选择提供借鉴意义。

参考文献

[1]杨连生.内燃机设计, 1980.

[2]梁立峰.高性能汽油机曲轴设计与工程分析, 2012.

工程结构优化设计 篇11

关键词：房屋结构设计；建筑结构设计；优化

一、房屋结构设计中建筑结构设计优化方法的理论体现

在房屋结构设计中建筑结构设计的过程中，需要考虑的东西很多。不仅要考虑到建筑整体安全性和使用功能，还要尽可能完善设计，这就是我们通常所说的设计优化。通过设计优化，保证利用最为科学的方法，选择出最佳设计方案，从而更好地完成预期目标。从建筑理论上分析主要表现在房屋工程分部结构的优化设计和房屋工程总体结构的优化设计两个部分。房屋工程结构总体的优化设计包括三部分，分别是屋盖系统方案的优化设计、围护结构方案的优化设计和结构细部设计的优化设计。在分析的过程中还会涉及到受力分析、造价分析等。在设计的过程中，我们必须以实事求是，结合工程开展的实际情况，按照房屋建筑的经济效益目标进行合理的优化设计。

建筑工程师在设计的过程中，必须将安全放在第一位，在保证安全的基础上进行结构形式的创新。在设计的过程中，尽量保证平面布置的规则和对称，减少质量中心和刚度中心之间的差别，建筑物在水平荷载的作用下不会发生强烈的扭转。我们在满足房屋基本功能的情况下，还要保证竖向承重构件向下是连通的，尽量避免使用转换层从而减少设计上的难度。转换层在使用的过程中容易导致应力集中，不利于建筑整体的稳定性。同时我们要掌握好竖向刚度的变化，尽量避免出现突变的情况，因为这样容易导致用力集中，不利于建筑结构抵抗水平动力的荷載。

二、结构设计优化的现实意义

首先能够实现对设计的优化，保证建筑结构整体功能的实现。我们在优化结构设计的过程中需要对结构造型、受力性能和结构材料等方面进行优化。可以选择那些圆形和方形的结构从而保证结构的受力性。通过使用优化技术，保证工程开展的安全和经济。

其次还能够节约建造的成本。控制好建筑工程的造价能够实现企业经济利益的最大化。事实表明，通过优化结构设计能够降低15%-30%的造价成本。随着高层建筑的越来越多，这就对房屋结构承载能力提出更高的要求，需要保证墙、梁和柱的承载能力和抗震能力。通过科学合理的设计，能够确保结构各项功能的实现，并且减少结构所需材料，真正实现经济安全的目标。

三、房屋结构设计中的建筑结构设计优化措施

（一）设计结构模型

房屋结构设计中建筑结构设计优化方法基本可以分成三个阶段：第一阶段就是要选择变量。一般情况下，设计人员是需要根据一些较为关键的数字来决定最后设计方案。比如工程的目标参数包括房屋价格参数和预期产生的损失参数。当设计工作者将那些有小幅度变动的参数作为参考指标，就会降低设计和计算工作的难度，设计工作者能够迅速准确找到信息。第二阶段是确定函数。设计工作者需要在很多相似程度很高的函数中选择出与房屋横截面和钢筋尺寸匹配的函数，并对函数的各项性质进行简单分析，从而降低房屋建造的成本。第三阶段是衡量条件。我们在建造房屋的过程中，必须考虑到房屋的稳定性和功能性，考虑房屋尺寸、架构稳定性、架构刚性以及变形限度等指标，结合房屋建造的具体实际，对施工中的约束条件进行仔细分析，保证各项条件都符合最优的要求。

（二）决定计算方法

房屋结构设计中不可避免的会遇到很多计算问题，建筑结构设计优化是个复杂的过程，需要考虑到多个变量和多种设计条件。在计算的过程中，需要考虑到各种附加的约束条件。只有经过合理的转化，才能更好地得到计算结果，设计人员需要根据实际的情况选择出最佳计算方法，节约人力和物力。

（三）选择最优程序

在选择完房屋结构模型和计算方法之后，设计工作者就要选择最优程序。最优程序的功能齐全，并且工作效率高，这种最优程序在结构设计的过程中发挥着关键性作用。

（四）分析统计结论

在统计完相关的数据之后，就要对数据进行认真分析，找到设计方案之间的异同，从而选择出最佳的设计方案。设计工作者必须总览全局，对一些细节问题更要引起足够的重视。房屋建造需要耗费大量的人力、物力和财力，只有纵观全局，了解到各个环节的利弊关系，才能真正衡量好各个环节的利益，才能选择出最优方案。因此，设计工作者需要将节约成本和改进技术结合起来，在选择方案的过程中，兼顾二者，才能真正发挥出房屋建筑的功能。

四、房屋结构设计中建筑结构设计优化的注意事项

我们需要根据不同的建筑工程类型选择合理的结构形式，通常包括剪力墙结构、框架结构和框架—剪力墙结构三种类型。这三种不同的类型各具特点，因此在选择的过程中需要考虑到房屋的实际使用功能以及工程中可利用的资产，在确保质量的前提下选择合理的投资方案，保证建筑工程利益的最大化。在高层建筑结构中通常会使用剪力墙结构，优化时注意多遇地震下剪力墙结构弹性层间位移角限值（1/1000）、轴压比等限值。框架结构优化时多遇地震下结构弹性层间位移角限值（1/550），柱轴压比限值、最小配筋率，注意这种方式不仅但是柱截面较大，注意柱角可能会对家具的摆放产生影响。框架—剪力墙结构优化注意0.2V0调整、位移比控制、轴压比控制等等。

五、小结

总之，建筑结构优化设计方法的研究是一项综合复杂的工作，我们需要在今后的工作中多加摸索，争取用最少的资源实现最大的经济效益。建筑结构设计优化方法的运用能够更好的实现房屋的使用功能，能够更好满足人们的多样化需要，极大改变了人们的生活，有着非常重要的现实意义。

参考文献：

工程结构优化设计 篇12

F201楼位于北京市中国原子能科学研究院内, 紧邻中国实验快堆 (简称CEFR) 主厂区。建筑占地面积1 707 m2, 建筑面积8 334 m2, 地上5层, 建筑高度23.65 m。主要包括快堆仿真机大厅, 运行仪控设备研究实验室, CEFR设备陈列室, CEFR设备维修操作实习区, 以及运行资料室、部分办公室、培训教室等。其中仿真机大厅为16 m×23.75 m大空间, 设备维修操作实习区为20 m×7.8 m, 跨越两层的大空间, 内有3 t吊车。建筑规模虽然不大, 但是使用功能复杂。国家能源快堆研发 (实验) 中心的建立, 将为加快我国核能行业的技术进步提供了一个极佳的技术研发平台, 对提升我国在快堆核电技术领域的国际地位具有重要的战略意义。

1 设计原则确定

遵循安全适用、经济合理、技术先进、确保质量、保护环境的基本原则, 确保结构设计方案优良、结构合理、荷载传力明确, 有足够的整体稳定性、设计强度及空间刚度满足使用要求, 要求安全可靠, 方便施工, 材料尽可能采用属地供给方式, 节约建设投资, 缩短建设周期。项目从2011年6月开始进行初步设计, 期间新的国家标准GB 50011-2010建筑抗震设计规范及GB 50010-2010钢筋混凝土设计规范开始实施。按照建筑使用功能要求, 依据国家标准, 确定新建建筑物结构设计使用年限:50年;结构的安全等级:二级;重要性系数为1.0;建筑抗震设防类别为丙类;抗震设防烈度为8度, 设计基本地震加速度为0.20g。设计地震分组:第一组, 建筑场地类别为Ⅱ类。地基基础的设计等级为丙级。基础采用柱下独立基础。屋面为Ⅱ级防水, 钢筋混凝土保温屋面。建筑耐久年限为二级, 耐火等级为二级。根据本工程的功能特点和所处地理位置, 初步确定采用钢筋混凝土框架结构和钢筋混凝土框架剪力墙结构两种结构方案进行比较。

2 设计难点与对策

1) 建设资金紧张。作为一个国家配套资金建设项目, 经费预算十分紧张。根据总体测算, 实际上开展的是所谓“限价设计”, 所以要求各专业都要精心设计, 在满足功能和安全要求前提下尽量节省投资, 降低工程造价。2) 功能要求特殊。针对建筑使用功能, 本建筑结构设计难点在于仿真机大厅和设备维修操作实验区两个大空间的结构布置。经与建筑专业协商, 首先在建筑布置上将位于2层的需结构抽柱的仿真机大厅移至顶层, 这样避免采用转换层结构, 结构传力简单直接。位于1层的设备维修区因有3 t吊车, 空间上跨越2层, 在结构布置上属于竖向不规则结构, 也需特殊加强。3) 地震烈度高。由于本工程地处8度抗震设防区, 结构重要性虽不属于核级, 但是功能比较复杂, 实验设备价值昂贵, 保证地震作用下结构和设备的安全尤其重要。鉴于地震有很大的不确定性, 建筑结构的抗震设计也是本工程难点之一。建筑结构的抗震性能化设计立足于承载力和变形能力的综合考虑, 具有很强的灵活性和针对性。它可以针对整个结构, 也可对结构的局部部位作针对性分析。为此对于本工程的薄弱部位和关键构件, 我们不仅在总体指标计算中采用加强薄弱部位及其水平和竖向相邻构件的方式, 还将此部分单独进行了局部分析, 以保证结构的安全。

3 结构方案设计优化

结构优化设计的目的就是用最少量的材料建造最能满足功能要求的建筑。这种理念同样适用于其他专业。节约投资与每个专业息息相关, 建筑专业优化同样重要, 室内外装修是否选用轻质高强耐久的材料, 建筑平立面布局是否合理、规则对结构影响很大。比如仿真机大厅, 16 m×23.75 m的无柱大空间开始放在2层, 3层对应部位又设了柱子, 这给结构设计带来很大麻烦, 3层以上的柱子荷载要通过2层的转换结构传递, 转换梁柱在地震作用下受力复杂, 传力不直接, 梁柱截面巨大, 在结构设计中属于复杂构件, 各种作用都要乘放大系数, 必然引起造价剧烈增加, 应尽量避免。经与建筑专业商量在不影响使用功能的前提下将仿真机大厅放在顶层, 避免采用转换结构, 这对于本工程的限价设计非常必要。对于16 m×23.7 m无柱大空间采用了2.6 m×2.6 m的方格网井字梁结构, 满足了大空间屋面梁和楼板的位移变形要求, 既经济美观又降低了层高。位于1层端部的设备维修区因使用功能的需要跨越了两个层高, 2层没有楼板, 造成结构平面开大洞的平面不规则, 也是结构设计之“大忌”。基于抗震性能化设计和构件协同工作的理念, 通过增加周边楼板厚度, 增大相邻梁柱断面来加强此薄弱部位, 使水平地震作用安全传递到竖向构件。从2008年汶川地震和2011年日本福岛地震以来, 面对地震及其次生灾害造成的巨大损失, 人们谈“震”色变, 结构设计人员对建筑结构的安全性高度重视。由于地震的不确定性, 新抗震规范修订明确了基于性能化的设计理念, 抗倒塌设计理念。即对结构的薄弱及关键部位有针对性的加强, 做到大震不倒, 中震可修, 小震不坏的抗震设防目标。结构性能化设计仍然是以现有的抗震科学水平和经济条件为前提, 针对具体的构件在结构中所起的作用不同, 采取不同措施保证结构重要部位在地震作用下的不倒塌。比如根据楼梯间作为“抗震安全岛”的要求, 提出确保大震下具有安全避难通道的具体目标和性能要求, 将楼梯间及其周边框架梁, 柱和楼板加强;对地震时需要连续工作的机电设备, 其相关部位的层间位移需满足规定层间位移限值的专门要求;对其他情况提出了震后的残余变形满足设备检修后运行的位移要求, 同时提出大震后可修复运行的位移要求;将建筑构件与结构构件柔性连接, 两者拉结可靠并留有足够的间隙, 如玻璃幕墙与结构构件之间预留变形缝隙来保证结构及建筑附属构件的安全。针对本工程使用功能特点, 经综合考虑, 选定了钢筋混凝土框架结构和框架剪力墙结构两种方案进行了详细计算比较。下面主要就变形缝左侧部分作结构动静力计算分析, 图1是本工程的三维渲染图, 表1详列了结构计算分析结果, 表2列出了这两种结构方案所用建筑材料的用量, 表3为《建筑抗震设计规范》对框架及框剪结构计算总体指标的要求。

4 设计优化结论

通过以上计算结果分析, 可以看到, 在地震作用下, 框剪结构虽然刚度很大, 但是由于建筑使用上的限制剪力墙平面布置并不完全均匀对称, 造成结构在地震作用下扭转明显 (第一周期有24%的扭转因子) , 而且X, Y向位移差别过大, 并不是一个理想的结构布置。由于增加了多道剪力墙, 不便于建筑空间的灵活分割, 不仅结构本身自重增加很多, 引起地震作用的增加和传至基础的荷载增大而且钢筋和混凝土用量增加较多, 仅变形缝左侧地上结构钢筋就增加57 396 kg, 混凝土增加294 m3, 由于自重增加导致基础断面的增大, 也使造价显著提高。相反框架结构因其灵活的空间分割, 较少的材料用量, 较轻的结构自重, 较好的抗震耗能变形性能, 较低的造价, 是适合本工程的一个较为理想的结构方案。虽然框架结构位移与框剪结构相比大些, 但抗震性能并没有降低多少, 位移在《抗震规范》弹塑性变形控制之内, 还有10%富裕。由此可见, 对于五层非核级的丙类抗震设防建筑, 框架结构在8度区还是适用的。在GB 50011-2010建筑抗震设计规范中, 明确规定高度在24 m以下的, 一般设防建筑按《抗震设计规范》规定进行概念设计, 计算指标符合规范要求, 采取适当的抗震构造措施后, 完全可以达到安全适用的要求。汶川地震中也验证了此类结构只要设计合理, 符合规范, 在罕遇地震作用下结构能够不倒塌, 保证人身安全。针对本工程建设资金紧张的状况, 框架结构在保证使用功能和安全要求的情况下满足了经济性要求, 是适用于本工程的较为理想的结构方案。

5 结语

国家能源快堆工程研发 (实验) 中心的F201楼经费紧张、功能特殊、地震条件苛刻, 给建筑结构设计带来了较大难度。本文在深入分析F201楼的功能需求和地质条件后, 对结构抗震设计进行了优化, 从而在保证经济性基础上获得了较好的结构设计方案。

总结本文设计优化研究的经验, 要做好结构优化设计, 达到降耗节能, 少费多用的目的, 除了精心设计, 增强责任心以外, 更重要的是把握好以下几点:

1) 建筑方案阶段做好结构概念设计, 选择适合本工程的结构方案。因从工程经验来说, 一旦方案确定, 工程造价也已基本确定。

2) 各项输入要尽可能准确。包括作用在结构上的各种恒活荷载, 设备专业所提各种条件。因基本输入不准确, 就得不到真实可靠的计算结果, 一切人为的放大系数均基于作用于结构上的真实荷载, 这才是科学的设计理念。

参考文献

[1]GB 50011-2010, 建筑抗震设计规范[S].

[2]GB 50010-2010, 钢筋混凝土设计规范[S].