黃園園

（山東興華建設(shè)集團有限公司，山東 青島 266000）

進入到21世紀之后，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)取得了非常廣泛的應(yīng)用，建筑工程項目的高度逐漸增加，隨之而來的是其復(fù)雜性逐漸增大，土建工程的成本所占比例越來越大。在設(shè)計的過程中，要進行必要的結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置，保證其達到科學(xué)性、合理性的要求，并且可以提升結(jié)構(gòu)的安全性。因此，設(shè)計人員需要充分的重視結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的意義

任何一個項目的開工建設(shè)都要經(jīng)過策劃、設(shè)計、施工等三個環(huán)節(jié)，在這三個環(huán)節(jié)中，雖然設(shè)計環(huán)節(jié)中的總成本在整個項目中成本占1%～2%，而設(shè)計階段對于整個項目的經(jīng)濟性存在最為直接的影響，其可以影響整個項目70%以上的成本，所以，在施工中需要合理地進行設(shè)計方案的優(yōu)化配置。但是目前的工程項目設(shè)計環(huán)節(jié)，應(yīng)該進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置，也可能是因為工程量巨大、設(shè)計任務(wù)繁重、時間緊張等問題，在確定結(jié)構(gòu)方案只是通過人為經(jīng)驗來確定，造成了方案的經(jīng)濟性無法滿足需要，最終導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)設(shè)計方案難以達到科學(xué)性與合理性的要求。截至目前，還沒有一個能夠使用到大多數(shù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，很多情況下需要進行適當(dāng)?shù)奶幚?，最終保證其結(jié)構(gòu)性能達到承載性能的需要，這就是最優(yōu)解，也是結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心。

2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法

在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的過程中，不同的方案采用的優(yōu)化方式也是不一樣的，以下對其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法進行深入分析。

2.1 設(shè)計方案的優(yōu)化

根據(jù)傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計理念，在具體優(yōu)化設(shè)計的過程中應(yīng)該從截面、形狀、拓撲、布局、應(yīng)力等幾個方面出發(fā)。

2.1.1 截面優(yōu)化

該方面的優(yōu)化主要指的是根據(jù)實際需要來選擇合適的截面尺寸，應(yīng)用數(shù)學(xué)計算方式來確定，選擇最優(yōu)化的計算方法。這種優(yōu)化方式較為簡單，目前經(jīng)過多年的研究之后已經(jīng)日趨成熟，優(yōu)化效果也非常高。根據(jù)實踐經(jīng)驗來確定一個假定的尺寸，然后進行結(jié)果的驗算，并且需要進行方案的優(yōu)化設(shè)計，對比不同截面尺寸之下的配筋率的經(jīng)濟性，從而可以明確最佳方案。

2.1.2 形狀優(yōu)化

形狀優(yōu)化主要是將結(jié)構(gòu)形狀的邊界作為變量，在進行邊界點的匯集之后，然后利用這些點進行形狀優(yōu)化，其主要是應(yīng)用到網(wǎng)架、桁架等結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計中。但是在應(yīng)用的過程中，其變量比較多，優(yōu)化之后的邊界點不能達到光滑性、連續(xù)性的要求，雖然應(yīng)用參數(shù)化的設(shè)計可以有效地解決該問題，但是其截面與形狀兩個變量，工作量會比較大，這種優(yōu)化方式還需要完善。

2.1.3 拓撲優(yōu)化

拓撲優(yōu)化主要是利用模型分析來實現(xiàn)，在分析中通過有限元模型的設(shè)計，可以直接把設(shè)計中的拓撲優(yōu)化直接轉(zhuǎn)化成為結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化，這種方案可以在應(yīng)用中得到最優(yōu)方案，目前該方案還處于研究試驗階段。

2.1.4 布局優(yōu)化

布局優(yōu)化問題最為煩瑣，在設(shè)計中的空間維數(shù)也會非常高，如果計算的過程中沒有合理地確定相應(yīng)參數(shù)，會導(dǎo)致其結(jié)果受到一定的影響，無法確定最優(yōu)解。這種方法還處于研發(fā)試驗階段，技術(shù)水平比較低，只是應(yīng)用在少數(shù)的工程項目中，未來還需要加大力度進行研發(fā)，從而可以滿足實際使用的需要。

2.1.5 滿應(yīng)力優(yōu)化

桿系結(jié)構(gòu)設(shè)計時，因為桁架材料、幾何尺寸不變，所以，在設(shè)計中應(yīng)該保證各個桿件在最大荷載的影響之下要接近容許應(yīng)力，保證其結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性達到要求，此時可以根據(jù)工程的實際情況來選擇最優(yōu)化的設(shè)計方案，以獲取最優(yōu)化的設(shè)計方案，這就是滿應(yīng)力優(yōu)化。這種方式非常簡單，操作起來也比較方便，并且在優(yōu)化的過程中材料、幾何外形等都是定量，不會發(fā)生任何變化，所以，在優(yōu)化的過程中比較簡單，工作效率、工作質(zhì)量都比較高。這種方法在確定外部載荷最大的情況下，結(jié)構(gòu)材料可以達到容許應(yīng)力的要求，從而可以保證材料的消耗在最低限度內(nèi)，可以充分地發(fā)揮出材料的綜合性能，最終可以實現(xiàn)工程項目的優(yōu)化。

但是在應(yīng)用滿應(yīng)力優(yōu)化的過程中，應(yīng)該準(zhǔn)確計算最大荷載組合應(yīng)力，并且需要根據(jù)數(shù)據(jù)計算的結(jié)論來實施初步設(shè)計；然后就是根據(jù)工程的實際情況進行必要的結(jié)構(gòu)尺寸、配筋率的調(diào)整，要滿足整個結(jié)構(gòu)的最大容許應(yīng)力需要，從而可以更好地發(fā)揮出材料的綜合性能。

2.2 影響設(shè)計方案優(yōu)化的其他因素

2.2.1 能否精確計算荷載值

荷載的精細化計劃更加的簡單，其優(yōu)化效果也非常好，例如，在進行墻體結(jié)構(gòu)的荷載計算過程中，要根據(jù)其高度、寬度尺寸來進行計算，此時需要扣除墻體開洞之后所減少的數(shù)量；樓面荷載應(yīng)該根據(jù)需要來選擇功能性的合理參數(shù)值，同時需要適當(dāng)?shù)卣蹨p活荷載參數(shù)；合理確定風(fēng)荷載、抗震性能要求等，然后按照本條的荷載要求來確定最佳的荷載系數(shù)，從而可以達到最優(yōu)化的方案需要。

2.2.2 能否深入學(xué)習(xí)規(guī)范，準(zhǔn)確理解規(guī)范

全面學(xué)習(xí)國家建筑標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，理解其具體的含義，并且需要在工程中盡量減少結(jié)構(gòu)與材料的浪費，設(shè)計人員應(yīng)該充分掌握各項設(shè)計規(guī)范，并且逐漸應(yīng)用到實踐中。例如，剪力墻在布置的過程中，應(yīng)該保證其構(gòu)造配筋的量達到要求，不能根據(jù)內(nèi)力來確定；構(gòu)件設(shè)置多排鋼筋的過程中可以根據(jù)需要來適當(dāng)增加截面積尺寸，防止出現(xiàn)多排鋼筋布置的情況，并且需要適當(dāng)增大截面高度尺寸。

2.2.3 能否注意結(jié)構(gòu)與建筑專業(yè)協(xié)調(diào)

建筑設(shè)計中應(yīng)該從結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度出發(fā)，要保證房間的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)達到統(tǒng)一性的要求，并且需要保證其外形更加簡單，避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)錯層的問題，同時應(yīng)該保證形心與中心重合到一條直線上，不能出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)的問題。

2.2.4 能否合理選用鋼筋和混凝土標(biāo)號

高強度鋼筋的強度比較高，與普通鋼筋相比有著非常高的優(yōu)越性，而高強度鋼筋的性價比更高，所以，需要選擇高強度鋼筋，同時需要合理控制結(jié)構(gòu)的配筋率，并且要加強水泥標(biāo)號的控制，這是因為標(biāo)號比較低的情況下極易出現(xiàn)開裂的問題，也會導(dǎo)致后續(xù)的維護與保養(yǎng)費用較高，經(jīng)濟性較差。

2.3 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化時應(yīng)注意的問題

在進行工程項目優(yōu)化設(shè)計的過程中，需要充分考慮到優(yōu)化精度的要求，但是不能過度的追求精度而忽視與工程實際情況的匹配度。首先，變量的數(shù)量對于復(fù)雜性有著直接的影響，變量數(shù)量過多，其需要的優(yōu)化設(shè)計時間也會越長，所以，在變量選擇中應(yīng)該對于構(gòu)造影響較大的變量進行全面考慮，對于次要變量需要充分考慮。其次，在規(guī)范規(guī)定優(yōu)化設(shè)計的過程中，要保證約束條件達到要求，需要將構(gòu)造中的參數(shù)看作約束條件進行優(yōu)化，從而可以進一步地減少變量的數(shù)量。第三，結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)能夠直接影響優(yōu)化質(zhì)量，所以，在實際中應(yīng)該根據(jù)需要選擇合適的目標(biāo)函數(shù)，從而可以保證其最終的方案達到最優(yōu)化的要求。

3 結(jié)語

總之，工程項目的優(yōu)化設(shè)計過程中，需要考慮到項目的安全性、耐久性等方面，應(yīng)該保證其各個結(jié)構(gòu)都能夠達到可靠性的要求，同時應(yīng)該符合經(jīng)濟性的要求，要為企業(yè)創(chuàng)造更高的經(jīng)濟效益，并且各個結(jié)構(gòu)都要達到預(yù)期的功能，以滿足實際使用的需要。