建筑结构的优化设计范文

导语：如何才能写好一篇建筑结构的优化设计，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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【关键词】结构优化；降低造价；精心设计；保证安全

Talk about building structure of excellent turn design

Yang Jian

（ Nanyang City， Henan Province， Architectural Design and Research Institute， Nanyang， Henan 473000 ）

【Abstract】to maximize the efficiency of investment， each investor is the pursuit of investment objectives. Through the optimal design of the building structure， not only to improve building safety， and can effectively reduce the construction cost， construction products with a higher price. Based on the structural design， the choice of the structure of the programmed， structure， material selection， and regulate the use of a designer boutique to cultivate awareness of the structural optimization and design of the system on， elaborated on the significance of structural optimization， optimization methods And optimize the way for the designers of the structural optimization of the structure designed to provide information.

【Keywords】structural optimization； lower cost； carefully designed； ensure safety

在工程建设过程中，建筑功能的实现与工程投资的控制是工程建设的两大目标。而进行工程投资控制的关键在项目决策和设计阶段，在项目作出投资决策后，其关键就在于设计阶段。在建筑工程的设计阶段，当满足建筑的诸多功能后，工程造价的控制是每个投资者最为关注的主要内容，也自然成为投资者评价设计质量优劣、衡量设计水平、选择设计单位的重要标准。为了在日益激烈的设计市场竞争中求得生存与发展，为业主提供优质的设计产品，提高设计产品的经济性，已成为每一个设计单位努力追求的目标。由于在建筑产品中结构造价所占的比重很大，通过对建筑结构的优化设计，不仅能够提高建筑物的安全度，而且能够有效的降低工程造价，从而实现投资效益的最大化。在建筑结构设计中，当建筑方案产生后，结构从选型和布置开始就存在优化与否的问题，再加上后续每一道工序的精心设计、准确计算、合理选用等全过程的优化设计才能产生优化的结构。下面就结构设计优化的一些途径，谈一下笔者的一点看法，以期与广大结构设计人员共勉。

1.选择合理的结构方案

在建筑设计方案确定后，对于同一个建筑设计方案，结构设计方案往往不是唯一的。不同的结构方案会使工程造价和工程质量产生很大的差别，所以选择合理的结构方案便显得尤为重要，只有采用合理的结构设计方案才能实现“技术先进、安全适用、经济合理、确保质量”的设计目标。也只有采用合理的结构设计方案才能真正实现投资效益的最大化。在结构方案的选择上，应遵循以下的一些基本原则：

（1）要用整体的概念在特定的建筑空间中来完成结构总体方案的构思，处理好构件与结构、结构与结构的关系，充分利用和发挥整体结构和构件的最佳受力状态，使结构具备足够的承载力、刚度和良好延性的同时造价最低。

（2）尽可能使结构的受力与传力途径简单、直接、明确。传力途径复杂会出现多次转换的结构构件，这样会导致造价的提高，也容易出现计算错误产生安全问题。采用最简单、直接的传力途径，可以省去中间传递的结构构件，减少结构的安全风险，使结构受力更加明确，其造价也相对经济。

（3）保持整个结构安全可靠度的一致性。应通盘考虑整体结构的每一个构件，使结构构件能够同时发挥其最大效能，确保达到规范规定的设计目标水准，实现结构既经济又安全的目标。

（4）使结构平面布置的抗侧力刚度中心与建筑物的外力作用中心或质量重心尽量接近或重合，以避免或减小外力作用下结构的扭转效应，因为抵抗结构的扭转所需增加的材料用量是很大的，可以说结构平面布置的不规则既不经济又不安全。

（5）加强与建筑师的沟通与协调。一个设计精品是建筑师和结构工程师创造性合作的共同成果，在满足建筑物的功能和建筑师创意的前提下，结构工程师有责任对建筑方案提出建设性的意见，与建筑师一起构思最佳的结构体系。结构工程师只有加强结构概念的培养，才能比较客观、真实地理解结构的工作性能。并综合运用其掌握的结构概念，通过反复试算、反馈和优化，选择效果最好、造价最低的结构方案。

2.进行正确的结构计算

一体化计算机结构设计程序的不断完善和全面应用，使结构工程师从繁重复杂的结构计算中解脱出来。过去对一些复杂结构的设计完全依靠概念、经验和估算来完成，为保证结构安全，结构设计的安全度往往富余很多，造成不必要的浪费。现在工程师可以在概念、经验和估算的基础上借助计算机进行可靠的分析计算，并通过对计算结果的分析，发现结构的薄弱部位和设计的不足之处，对结构体系以及结构构件的合理尺寸做出相应的调整，经过多次计算比较和调整，使结构设计更加合理和经济。在利用计算机结构设计程序进行结构计算时，要注意以下问题：

（1）不能盲目的依赖计算机。因计算软件的缺陷和设计人员不加分析的盲从而导致设计错误的现象时有发生，所以对用于结构设计的计算程序的基本理论假定、应用范围和限制条件以及程序与规范的结合一定要搞清楚。

（2）对于输入的几何图形、构件尺寸、荷载数据等应认真核对、力求准确无误。避免因数据输入错误造成计算分析结果的错误或较大的误差。比如，高层建筑标准层荷载数据的输入出现错误，其累加后对结构计算所产生的影响是不容忽视的，将导致计算结果要么不安全、要么不经济。

（3）对计算参数的选取要正确合理。选取不同的计算参数会得出完全不同的计算结果，要根据实际结构的具体情况和计算程序的功能要求合理选取。比如，框架结构计算中，周期折减系数的取值，要根据实际工程中框架填充墙的材料和数量，选取恰当的数值对计算周期进行折减，若折减系数选取偏大，会使计算地震力小于实际的地震力，造成结构分析偏于不安全，反之则不经济。

（4）注意实际结构与计算模型的差异。所有的计算理论和设计程序都是建立在一些假定和理想的计算模型之上的，而实际结构的受力状态又是千差万别的，一味地依赖电脑或计算手册的计算结果进行结构设计会给结构留下较多的隐患，所以任何构件的计算都应根据实际情况确定结构的约束关系，并利用结构概念、工程经验对计算结果进行仔细的分析，判断其是否合理，以确保最终结构设计的正确。

3.提高材料的利用率

结构设计的目的便是花尽可能少的钱，做最安全、适用的建筑，这就要求结构设计时对材料的选用要合理，利用要充分。要根据结构构件的不同受力特点、工作环境和材料的力学性能特点，选用合适的建筑材料。在钢筋混凝土结构中，以受压为主的柱子，就要充分发挥钢筋混凝土材料中混凝土抗压性能好的特点，尽可能采用高标号混凝土，不但可以减小构件截面，增加使用空间，还能减轻结构自重。梁板以受弯为主，可采用高强度钢筋，以充分发挥钢筋的抗拉性能，减少钢筋用量，同时要注意钢筋混凝土结构中钢筋与混凝土强度的匹配，最大限度地发挥出材料的性能。对于高层建筑的结构转换层和受力复杂的结点部位以及大跨度结构，可采用型钢混凝土和预应力混凝土或钢结构等，以达到适用、安全、经济的目的。实际工程中，因材料选择不当造成浪费的情况很多。比如，经常出现的钢筋混凝土现浇板中混凝土标号过高的现象，不仅高标号的混凝土不能充分发挥其强度作用，而且为抵抗高强混凝土较大的收缩变形和满足最小配筋率要求，板中钢筋的配筋量也随之增加，从而导致工程造价的提高。

4.正确理解运用《规范》

《规范》是我们在设计中必须遵循的“最低”标准，是国家的技术经济政策、科技水平和工程实践经验的总结。全面理解规范条文的概念、定义、前提条件和适用范围，是正确运用《规范》的前提和基础，盲目的照搬规范的具体条文会导致设计失误，造成质量安全隐患和经济损失。作为一个结构工程师，一方面必须熟悉、理解和吃透规范条文的真实含义，另一方面必须客观理性地正确对待规范。对《规范》中的“强制性条文”要不折不扣的执行，而对《规范》中的“非强制性条文”工程师可以运用自己的理论知识、结构概念和实践经验，在《规范》条文思想的指导下，针对具体的设计对象、环境和使用条件，以工程的安全性和经济性为目标，创造性地灵活选用规范中的数据。盲目照搬硬套不但会限制创新成果、影响设计创作，阻碍工程技术的进步，也会造成不必要的浪费。因为即使规范再详细，也不可能包罗实际工程中遇到的所有技术问题。对《规范》中的构造措施要给予足够的重视。在实际工程中，一些设计人员过分依赖结构计算分析结果，不同程度地存在忽视结构构造措施的问题。以抗震设计为例，我们都知道，地震是一种很复杂的自然现象，我们对地震发生时建筑物的破坏机理还不十分清楚，对地震的破坏现象也只是停留在感性认识阶段，建筑物抗震计算的原理也只是一种近似方法。建筑抗震设计是建立在对震害分析和总结的基础上，通过概念设计、结构计算和构造措施三部分来实现的。所以，我们在进行建筑抗震设计时，不但要遵循《规范》提出的抗震设计原则和抗震计算方法，同时还要重视抗震构造措施。

5.树立精品意识

对结构优化设计的过程是结构工程师打造设计精品的过程。要求结构工程师不仅要具备深厚扎实的专业基本理论基础、丰富的实际工作经验，更要有尽心尽力、精益求精、追求完美的精品意识。设计单位要提高市场竞争能力，必须实施精品战略、走精品之路。改变以往在管理上重业务经营轻技术质量，造成设计人不注重技术水平的提高，设计只要保证不出大的质量问题，方案的好坏、造价的高低无关紧要，使优化设计失去内在动力。导致对设计方案不认真进行经济分析，而是为保险起见，随意加大安全系数，造成投资浪费。只有在单位内部管理上把设计质量同个人效益挂钩，才能提高设计人员的质量意识和经济观念，促使结构专业经济化。预算专业可以提前介入到结构设计的方案阶段，为结构工程师提供必要的经济分析数据，改变以前设计过程中不算帐，设计完了预算见分晓的现象，通过结构工程师与造价工程师对设计质量和经济指标进行全过程的控制，实现设计产品技术质量与经济的统一。要落实各级技术岗位责任制，通过各环节层层把关，把提高设计质量、创设计精品的工作贯穿于整个设计过程之中。

通过结构优化设计来降低工程造价是控制工程投资的一个有效途径，而正确处理技术与经济的对立统一是控制投资的关键。不能片面强调节约投资，而降低技术和质量标准，又要反对重技术、轻经济，设计保守浪费的现象。建筑结构设计的首要任务是满足建筑功能的需求，实现建筑物适用、安全、美观、经济的目标。结构设计不仅要做到保证结构安全，而且要尽可能的降低工程造价。结构造价在建筑工程中所占的比重很大，通过精心设计所带来的经济效益是十分可观的。实现安全与经济的最佳结合，也是衡量一个结构设计人员专业水平和能力的主要标准。结构工程师要珍惜每一项工程的设计机会，将优化设计贯穿于结构设计的整个过程，精益求精的完成每一项设计工作，创作出既保证结构达到《规范》要求的安全设防水准，又节省工程造价，同时还能最大限度地实现建筑师的创作思想和令业主满意的产品，从而真正达到优化设计的效果。

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关键词：建筑结构，优化，设计，问题，措施

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

城市的高层建筑越来越多，在进行高层建筑的设计时，要考虑多方面因素，比如建筑结构要有足够的强度，要有适宜的刚度，建筑结构有合理的自振频率等。另外，为了避免大震下高层建筑倒塌，在进行建筑结构的优化时要保证建筑结构的强度够硬，这是一个前提条件。因此，在建筑结构的优化过程中，要对各方面因素综合考虑，才能设计出符合人们要求的建筑产品。

一、建筑结构概述

在进行建筑结构设计时，要进行内力、位移等多方面计算，计算的过程也要从不同的角度进行，以保证最大限度地获取准确的数据。对建筑结构进行分析时，可以从以下几个方面进行。

（一）建筑结构的材料分析

从线弹性的角度对建筑结构进行分析时，一般假定内力和位移的量，想象结构与具体的构件在弹性工作形势下，具体分析的过程则根据弹性理论进行研究。弹塑性的析方法一般用在计算地震环境下的建筑结构的薄弱层变形时。

（二）刚性楼板分析

在对高层建筑的内力与位移进行计算时，通常都假定楼板对自身的平面有无限的刚性，由于平面的外刚度极小，可以将其排除。假定楼板结构为刚性时，在进行建筑结构的设计时就要运用相关的措施以保证楼板平面的整体刚度。

另外，还可以计算图形对高层建筑的结构体系进行分析，分析时的计算图形主要有三种，即一维、二维协同分析以及三维空间分析。

二、如何进行建筑结构的优化设计

为了保证现代化的建筑能不断满足人们对建筑物的要求，同时提高建筑物的稳定性、安全性和可利用性。可以从以下几个方面优化建筑结构。

（一）优化基础拉梁设计

这种优化设计主要针对多层框架的房屋，当这类房屋的基础埋得比较深时，可以在一定范围内对基础拉梁的位置进行设置以达到最优状态，宜于按照框架梁的结构进行整体设计，并且按照规定来设置箍筋加密区。但针对建筑物的抗震特性来说，应该采用短柱基础。一般来说，当独立的基础埋置不深时，可以根据抗震的要求，在两个主轴的方向沿线上设置基础拉梁。基础拉梁的尺寸也有一定的要求，一般横截面宽度是柱中心距的三十分之一至二十分之一左右，基础拉梁的高度取柱中心距的十五分之一内。基础拉梁的顶标高通常要与基础的顶标高相同，当基础拉梁的框架底层不算太高或者基础埋得不是太深时，也可以把基础拉梁的面积设计得比较大，以便用基础拉梁平衡柱底的弯矩。

（二）优化框架梁、柱箍筋的间距

不同抗震等级的框架梁和柱箍筋有不同的特性，比如其加密区的最大箍筋间距和最小箍筋直径，这些参数都有明确的规定。根据相关规定，在进行工程设计时，常常将框架梁、柱箍筋的加密区最大间距设置为100毫米，非加密区的箍筋最大间距为200毫米。利用计算机程序进行模拟时将框架梁和柱箍筋的加密区间距也设置成为100毫米，并且计算出加密区的箍筋面积。但是在某些情况下，也有可能会因为非加密区采用200毫米的箍筋间距而导致配箍不足。因此，在实际建设过程中我们也应该适当地增加箍筋的直径或者将箍筋间距的加密。

（三）优化独立基础设计荷载的取值

现代化的建筑物中，钢筋混凝土结构的房屋越来越多，而钢筋混凝土多层框架的房屋则大多采用柱下独立的基础形式。当房屋地基的受力范围内没有软弱的粘性土层时，总层数在八层以内而且高度在25米以下的民用框架房屋可以不用进行验算地基基础的抗震承载能力，但在实际的设计过程中应该考虑风荷载的影响。在对以钢筋混凝土为原料的多层框架房屋进行整体的计算分析时，必须要考虑到风荷载的影响，不能因为风荷载的影响不明显就忽略掉这一部分。另外，在设计独立的建筑结构基础时，在设计外荷载的柱脚内力值时，只取轴力设计值或者只取轴力与弯矩设计值，都会导致建筑物的基础尺寸偏小，会影响基础结构以及整个建筑结构的安全。

（四）优化地下室层数

地下室也是建筑物不可或缺的一个部分，对地下室的结构进行优化，有助于提升空间的利用价值。由于地下室的隔墙比较少，因此在设计过程中基础形式常采用筏板式。在利用计算机对这一部分进行设计时，应该同时输入地下室的层数和上部结构，这样可以一次性计算出地基以及基础底板的竖向荷载。同时可以利用现有的数据对层间侧移刚度比进行分析，通过分析比较的结果，可以正确地判断、调整房屋的具体嵌固位置，并且采取相应的措施来提高建筑结构的抗震能力。如果在对建筑结构的整体计算过程中，输入的地下室层数比实际的层数要少，会导致在发生地震灾害时底层的柱底部位会因为抗震能力降低而受到破坏。

（五）优化建筑结构计算中几个参数参数

利用计算机进行信息化处理，能较快捷地得到相应的计算结果，但对计算出的结果不能盲目使用，应该经过认真的分析判断以保证其合理准确，才能将各种参数应用于建筑的过程设计中。一般说来，利用计算机进行计算的参数有建筑结构的自振周期、楼层的侧向刚度比、柱底内力设计值、楼层地震剪力系数、墙和柱的轴压比等。众多的数据参数都是进行建筑结构设计的依据，因此，参数的准确性也影响了建筑设计的安全稳定性。为了通过分析来判断计算机计算出的结果是否合理，在进行相应参数的计算时，一方面要保证有合理的结构方案，准确可行的结构计算简图，另一方面要根据建筑结构的具体特征，正确地填写相应的场地类别，而且对于总信息中的各种参数要进行合理的选取。在应用这些参数时，要按照相关程序来进行设置，以便设计的结构更加合理可行。

结语

现代化的进程逐步加快，人们的生活脚步也越来越快，也加快了城市建设的进度。建筑物越来越多，导致建筑物的发展方向向高层化，但是高层建筑具有自身的特点，无论是建筑物的形式、建筑原材料还是具体的力学分析模型都逐渐复杂，多元化。加强建筑结构的优化设计是建筑过程中必不可少的一步。通过不断优化建筑结构，才能让建筑物满足经济科学且人性的要求。

参考文献

[1] 韩科峰.浅析高层建筑结构优化设计[J].中国科技财富，2011（02）：798

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关键词：高层建筑；剪力墙；优化设计

有人认为 ,优化结构设计只是抽钢筋的问题 ,其实不然。一栋建筑方案产生后 ,结构从选型和布置开始就存在优化与否的问题 ,再加之后续的精心设计、准确计算、合理选用等全过程的优化设计才能产生优化的结构。如果仅是抽钢筋的概念 ,优化是非常有限的 ,因为所有设计依据同样的条件 ,遵循同一本规范 ,计算采用同样的软件 ,结果应该是一样的。随着建筑事业的发展,建筑结构设计水平也相应地不断提高, 但是另一方面,由于技术原因而造成的质量低劣和浪费现象也时有发生,为此本文对近年来在工程实践中的体会和心得,主要是分析高层建筑的设计优化特点进行阐述,供参考讨论。

一、高层建筑结构优化设计

1对高层建筑结构方案进行优化采用何种方法，首先应分析这一问题的目标函数、目标函数中的各种变量这些变量之间的各种数学解析关系以及与各种变量有关的约束条件，在分析的基础上是采用间接优化还是直接优化方法来确定。高层建筑结构方案优化的目标就是材料耗量，材料耗量决定于构件的截面尺寸大小，截面尺寸必须满足通过力学分析得到各构件内力后的强度计算及位移变形等条件。因此，目标函数很难用明确的数学解析式来表达，不能用数学上求极小值的方法，也就是一般所说的间接优化方法来优化。高层建筑结构方案的优化只能采用直接优化法来解决，即给目标函数中变量以已知值，经过试算使其满足一定的约束条件，求得其目标值，并找出使目标值逐步变小而趋向最佳值的路线或方向，以达到目标函数的最优值。因此，可以采用满应力法进行高层建筑结构优化设计。

2 满应力设计法是在桁架等杆系结构的设计中发展起来的，是结构优化中最简单、最易为工程人员理解的一种准则法。所谓满应力是指结构构件在荷载作用下的最大应力达到所用材料的容许应力，此时材料的强度得到充分利用，构件截面面积将是最小，故可作为桁架最轻设计或体积最小设计的一个准则。满应力设计法是结构在规定材料和几何形状的条件下，按照满应力准则的要求，修改构件的截面尺寸，使每一构件至少在一种工况下达到或接近其容许应力限值的优化算法。如果结构除了应力约束外还有界限约束，则要求每一构件应力约束和界限约束中至少有一个达到临界值。

3 利用满应力设计法进行高层建筑的结构优化设计要遵循以下步骤：首先，要根据常规做法和经验确定结构构件的初始截面尺寸，并按构件分类分别建立柱、墙、梁可供选择截面尺寸的数据库；其次，要对结构构件进行力学分析，算出各工况下结构的位移及内力，并对结构构件进行承载力计算；再次，要根据计算结果，对构件截面尺寸进行调整，在满足位移条件的前提下，尽量充分发挥构件材料的性能，即按规范计算使其接近满应力状态，但截面选择应在指定的数据库中进行，并统计截面需修改的个数；然后，根据修改截面的数量、性质，由人工干预决定或指定一个限值自动决定是否重新计算，即返回到第二步计算，如此循环反复，直到满足要求为止；最后，输出最后优化的构件截面尺寸及计算结果。

二、 结构优化设计策略

钢筋混凝土框架-剪力墙结构是高层建筑结构中最常采用的承载体系之一，它同时具有框架结构建筑平面布置灵活，能获得大空间，建筑立面易于处理，以及剪力墙结构抗侧移刚度大、整体性好、抗震能力强的优点。在水平荷载作用下，具有较纯框架和纯剪力墙结构更为有利的水平变形曲线。但钢筋混凝土框-剪结构是一个具有双重承载体系的非常复杂的空间受力体系，力学分析难度较大，其优化设计就更为复杂和难以实现。所以，笔者以下谨通过已有的工程设计经验提出步骤性的建议，不作深入的学术探讨。希望国内外学者和工程设计人员今后对此能有更多有益的尝试，探讨更多有关框-剪结构的优化设计方面的课题，以推动我国节能事业的发展。

1框架结构的分部优化设计技术

钢筋混凝土框架结构属于具有多个多余约束的超静定结构，其荷载效应不仅与外荷载大小有关，还与结构构件的材料特征、几何构造特征有关。钢筋混凝土框架结构的分部优化设计，即是在结构整体内力分析完成后，根据梁柱各构件的控制内力进行截面优化设计，确定满足荷载效应水平要求的各结构构件的几何特征和配筋量的优化结果，由此导致原结构的几何特征和荷载特征发生变化，优化结构在现荷载作用下内力分布特征发生变化，各构件控制截面上的控制内力也发生相应变化，据此再进行新一轮的优化设计。因此框架结构的分部优化设计实际上是一个迭代、渐进的寻优过程，计算结果虽不总能等价于整体优化设计结果，但通常能给出工程实用的满意结果。

钢筋混凝土框架结构的分部优化设计方法的具体步骤为：

（1）初始选型：根据结构平面、立面布置及建筑物设计使用功能，分析结构所受的竖向荷载和水平荷载及其传力路线，并考虑施工因素，归并框架梁、柱的类型,初选梁柱的几何尺寸；

（2）结构分析：按照结构的实际几何构造特征，计算结构所受竖向荷载及水平荷载，对钢筋混凝土结构进行空间内力分析。根据结构分析结果，将截面尺寸相同的构件的控制截面内力，根据其大小进行分类，并确定每一类构件的设计控制内力；

（3）截面优化设计：针对每一种梁柱构件的控制内力进行优化设计，得出优化约束条件下的结构几何构造特征和配筋特征的优化设计结果，从而构成新的优化意义上的设计结构；

（4）收敛性判断：在工程精度意义上选取一个较小的数值，作为检验结构收敛性的条件，进行收敛性判断。若优化结构与原结构基本一致，则认为优化结构是收敛的，可以转入下一步的可行性判断，否则转回第②步重新进行结构分析、优化设计；

（5）可行性判断：对优化设计结果进行一次内力分析，检验其可用性。若整体分析能够满足工程设计要求，则可按此方案进行配筋和构造处理，作为最终的优化设计结果。否则需根据工程经验和结构内力分析结果进行局部调整，直到方案可用为止。

2 第二阶段：剪力墙构件的优化设计

剪力墙结构构件的优化设计主要是结构刚度与延性指标的最佳组合，可用力学准则进行优化。结构刚度对结构的影响主要为结构的自振周期和侧向位移，结构延性对结构的影响主要为保持承载力前提下的变形能力。因此，可用结构整体的侧向位移量来协调结构的刚度和延性。我们根据高层结构设计规范对结构层间位移和顶点总侧移的限值来控制结构的刚度设计和延性设计。

3 第三阶段：框架结构的优化设计

框架结构的优化设计准则是一个结构准则，在一次整体分析完成之后，可按照前述方法对框-剪结构中的框架部分进行优化设计。

三、框-剪结构的优化设计步骤

1 分析结构平面、立面布置特点，根据工程经验选定剪力墙抗侧力构件的布置位置及几何厚度；

2根据结构使用荷载特点，根据经验归并框架结构类型，并初步选定每一类型框架结构梁柱构件的几何尺寸；

3 进行整体结构的空间内力分析；

4 根据结构分析计算结果，检查结构的层间位移及顶点总位移是否满足规范要求。若满足规范要求，则转入第5步进行判断；若不满足规范要求，则直接返回第1步，进行剪力墙水平截面面积的修正；

5 刚度最优化判断：比较结构实际侧移值和规范限值，若│max(δ/h)-［δ/h］│/［δ/h］≤ε1且│max(Δ/H)-［Δ/H］│/［Δ/H］≤ε2，则转入第6步进行计算；否则转入第1步，并用原剪力墙厚度乘以修正系数ζ=max{ζ1，ζ2}(ζ1=［δ/h］/max(δ/h)，ζ2=［Δ/H］│/max(Δ/H))，来修正剪力墙几何尺寸，重新进行结构分析；

6分别进行剪力墙和框架结构构件的截面优化设计；

7收敛性判断：比较优化结构与原结构的接近程度，若优化结构与原结构基本一致，则认为优化结构是收敛的，可以转入下一步进行可行性判断，否则将优化结构作为原结构转回第3步重新进行结构分析、优化设计；

8可行性判断：对优化设计结果进行一次内力分析，检验其可用性。若整体分析能够满足工程设计要求，则可按此方案进行配筋和构造处理，作为最终的优化设计结果。否则需根据工程经验和结构内力分析结果进行局部调整，直到方案可用为止。

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关键词：剪力墙结构；设计；建筑；应用；优化

中图分类号：TU2文献标识码： A

1. 概述

时代的发展和人民生活水平的提高，让人们对居住环境的要求也逐步的增多，传统意义上的住宅，均以满足“住”为先决设计条件，但是现代化的建筑设计理念，更多的注重“宅”的存在形式和特点。很多较为先进的结构设计方式被得以充分的展现，这其中应用最多、受关注度最高的应属剪力墙结构，这种结构设计因为刚性强、且实际使用材料较少，对整体施工质量的保障有稳定作用，所以已经逐步的成为了一种主流设计。

2. 剪力墙结构设计的基本原则

为了减少建筑结构本身的重量，相应的增加建筑结构的抗震性，也并不是任何的情况下都可以使用剪力墙结构的，在设计阶段，要充分考虑到剪力墙结构的实际应用范围，最大化的减少因为剪力墙结构的使用对施工方面的影响。当然，如果把增加单位面积内的实际使用率作为前提的话，尤其是在高层建筑中，剪力墙结构的设计和施工形式还是首先方案。

3. 剪力墙结构的特点

剪力墙结构的特点主要是便于大模板技术的应用，室内墙面平整，墙体不需抹灰，增加室内净面积，而这一点，恰恰是工程建设单位和用户都十分关注的，至于剪力墙抗侧刚度大，侧移小的特点由于在实际中并不经常遇到，所以人们的关注度也不高。

除此之外，剪力墙在施工过程中施工工艺较繁琐，总体施工造价较高，也是制约剪力墙结构设计的一个很大的缺点问题。

4. 剪力墙结构设计的优化

4.1 剪力墙结构的优化原则

一般情况下，建筑结构的刚度越大，其结构稳定性就越好，抗震作用力也就越强，但是如果无限制的增加建筑结构的刚度的话，势必会增加整体工程造价，而且，如果刚度过大的话，容易出现层间移位过小等问题。所以，在对建筑进行优化的时候应主要考虑定量和定型的研究分析之后再确定剪力墙的结构优化。

4.2 剪力墙结构的优化标准

结合工程中的实际情况，在做剪力墙结构设计的时候，基本上遵循以下原则：一是，尽量避免出现“一字型”剪力墙，避免楼面梁一侧或两侧搁置在“一字型”剪力墙或其连梁上；二是使得结构受力更加合理，能在满足规范要求的前提下，使剪力墙的结构性能达到最优，经济性更加合理；三是通过改变剪力墙的数量及其布置使得结构的楼层刚度、周期、层间位移角更加合理。

4.3 剪力墙结构设计的优化措施

4.3.1 在合理范围内尽量减小剪力墙厚度

剪力墙结构的取值，直接影响到结构的自重，所以在进行剪力墙结构设计的时候，首先应该在合理、可控的范围内尽量减小剪力墙的厚度，这样不仅减少了施工工程的总造价，而且能让结构的刚度达到一个较为适中的程度，使其既能满足结构抗测力的要求，也能使结构自身的质量达到一个较为稳定的范围内。

4.3.2 严格控制剪力墙的配筋率

在建筑施工过程中，对配筋率有明确的国家规范要求，针对剪力墙结构而言，实际施工要求也较为详细，《混凝土规范》规定，抗震等级为一、二、三级的剪力墙的水平和竖向分布钢筋配筋率均不应小于0.25%；四级抗震等级剪力墙不应小于0.2%，分布钢筋间距不应大于300mm；其直径不应小于8mm。这在高层或者剪力墙墙肢较长的剪力墙结构中应该是合理的，但对于短小、低矮的剪力墙，应适当减小其水平筋的配筋率;墙的竖向最小配筋率应包括边缘构件中的钢筋，同时应注意避免竖筋过多使墙的抗剪强度小于抗弯强度，对抗震不利。

4.3.3 减轻结构自重

通过优化设计，减少了混凝土的使用量，就减轻了结构自身的重量，从而可以减小结构内力、竖向荷载和水平地震作用力。这种方式较适用于高层建筑，基本上以不同的高度选取不同的减少量为最佳。

5. 剪力墙结构设计在建筑中的实际应用

5.1 剪力墙结构的平面布置

剪力墙结构设计中的轴对称安排方式，是对于剪力墙结构的平面布置起到至关重要的决定性作用的。这种轴对称设计在实际应用中，其目的是最大化的减少剪力墙的扭矩，进而让剪力墙的侧向刚度能充分地发挥出应有的作用。这种情况在高层建筑中十分的常见，而且抗侧性的增大，对于原本起到抗震作用的剪力墙结构设计是有影响的，但是通过轴对称的安排方式，能在两个甚至是四个作用力面上对扭矩起缓冲作用，实际运用效果是十分明显的。

5.2 约束边缘构件处理

剪力墙结构设计中要充分地考虑到边缘构件的处理问题，因为在实际应用中，剪力墙的边缘构件主要以无约束边缘构件和有约束边缘构件两种，而这两种边缘构件的极限承载力差距是很大的，无约束边缘剪力墙构件和有约束边缘剪力墙构件在矩形截面上的承载力，最高情况下可以出现40%的差距，所以，必须要根据实际情况，按照剪力墙结构的轴压比的等级来设计、安装何种类型的边缘构件。

5.3 高层建筑剪力墙结构设计应用

由于剪力墙结构的突出特点，在土地集约化使用率较高的城市中，虽然剪力墙的设计存在着工程造价较高的情况，但是和目前居高不下的房价比起来就相形见拙了，所以这种设计方式被广泛应用于高层建筑，特别是高层住宅建筑中。在这里需要着重指出的是，利用剪力墙设计的住宅，住户在实际使用过程中不能轻易的对建筑结构进行改动，否则受影响的不仅是住户本身，轻则是上下楼都受到影响，重则建筑物自身的稳定性也受到一定影响。

5.4 剪力墙结构设计在高层抗震应用

剪力墙在设计过程中，基本上是遵循着整体设计直通到顶的原则，对于高层建筑而言，能有效的起到一定的抗震作用，但是由于剪力墙设计自身存在着刚度不稳定的情况，如果在实际施工中再采用直通到顶的话，那么不仅会影响到结构的自重，还无法控制层间移位情况，所以在设计初期，就基本上遵循着30层以下的建筑，每5-7层变化一次剪力墙刚度的设计，自下而上采取逐渐减小的方式进行；30层以上且150米以下的建筑，要根据实际环境情况进行剪力墙结构设计。这样的设计形式，就基本上能满足高层建筑的抗震需求了。

6. 剪力墙结构设计的未来发展方向

目前制约剪力墙结构不能大面积推广的原因有两个，一个是工程施工工艺较为繁琐，另一个是总体施工造价较高，在未来的剪力墙结构设计过程中，如果可以跟材质相结合，在上述两个层面上有所突破的话，剪力墙结构设计的实际使用率将会大大提高。另外，目前的剪力墙结构主要作用一是增加单位面积里的实际使用率，二是起到高层建筑的抗震作用，研究人员是否能通过精确的计算和具体的试验测算出剪力墙结构设计的其它优点，也是剪力墙结构发展的一个新突破口。

7. 结束语

剪力墙结构的合理设计和安排，对于建筑，尤其是高层建筑的设计而言是十分重要的，通过剪力墙结构的设计和使用能增加单位面积的实际利用空间，但是就它的稳定性而言，是关乎于整个建筑物的整体结构安全的，所以专业设计人员必须严格按照相关的规程，根据建筑工程的实际情况，综合考虑高度、刚度等因素，对剪力墙结构进行科学的分析和精确的计算，使其作用和功效发挥到最大化，在确保建筑整体的稳定性和可靠性的前提下，取得社会效益和经济效益的双赢。

参考文献：

[1]. 吕白、贾东旭. 高层剪力墙结构连梁的设计与分析[J]，《商品与质量：建筑与发展》2013年 第6期：20-21；

[2]. 尹永青. 高层住宅剪力墙结构设计探究[J]，《山西建筑》2014年 第14期：42-43；

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中关键词：建筑结构；优化设计；方案

中图分类号：TU3文献标识码： A

在新的《建筑抗震设计规范》及《高层建筑混凝土结构技术规程》执行后，对结构的性能设计提出了更高的要求，许多结构的设计要多次试算，从局部到整体再到局部。主要计算过程可分为：整体参数试算、整体合理性计算、构件优化和抗震性能验算。每步又包含多次试算，多次循环，才可能达到整体布置合理，传力直接，构造符合规范要求。

1. 遵循《规范》标准

作为一个结构工程师，一方面必须熟悉、理解和吃透规范条文的真实含义，另一方面必须客观理性地正确对待规范。对“规范”中的“强制性条文”要不折不扣的执行，而对《规范》中的“非强制性条文”工程师可以运用自己的理论知识、结构概念和实践经验，在《规范》条文思想的指导下，针对具体的设计对象、环境和使用条件，以工程的安全性和经济性为目标，创造性地灵活选用规范中的数据。

2. 选择合理的结构方案

对于同一个建筑设计方案，结构设计方案往往不是唯一的。不同的结构方案会使工程造价和工程质量产生很大的差别，所以选择合理的结构方案便显得尤为重要。结构工程师只有加强结构概念的培养，才能比较客观、真实地理解结构的工作性能。并综合运用其掌握的结构概念，通过反复试算、反馈和优化，选择效果最好、造价最低的结构方案。

2.1要用整体的概念在特定的建筑空间中来完成结构总体方案的构思，处理好构件与结构、结构与结构的关系，充分利用和发挥整体结构和构件的最佳受力状态，使结构具备足够的承载力、刚度和良好的延性；

2.2尽可能使结构的受力与传力途径简单、直接、明确。传力途径复杂会出现多次转换的结构构件，这样会导致造价的提高，也容易出现计算错误产生安全问题。采用最简单、直接的传力途径，可以省去中间传递的结构构件，减少结构的安全风险，使结构受力更加明确，其造价也相对经济；

2.3保持整个结构安全可靠度的协调一致性应通盘考虑整体结构的每一个构件，使结构构件能够协调一致发挥其最大效能，确保达到规范规定的设计目标水准，实现结构既经济又安全的目标；

2.4使结构平面布置的抗侧力刚度中心与建筑物的外力作用中心或质量重心尽量接近或重合，以避免或减小外力作用下结构的扭转效应，因为抵抗结构的扭转所需增加的材料用量是很大的，可以说结构平面布置的不规则既不经济又不安全；

2.5积极主动的参与建筑设计的方案阶段，加强与建筑师的沟通与协调。一个设计精品是建筑师和结构工程师创造性合作的共同成果，在满足建筑物的功能和建筑师创意的前提下，结构工程师有责任对建筑方案提出建设性的意见，与建筑师一起构思最佳的结构体系。

3.构件设计和绘制施工图

构件设计主要有截面设计和节点设计两个部分。因为截面尺寸在方案设计阶段已初步确定，构件设计阶段所做的工作是确定钢筋的类型、放置位置和数量，因此，截面设计在混凝土结构中，也称可以称为配筋计算。节点设计在钢结构中的使用比在截面设计中的使用更为广泛，一般来说，节点设计也可以称为连接设计。而构件设计主要有两个部分组成：一是计算；二是构造，两者共同组成了结构设计的主要内容，结构设计内容主要是根据计算和构造来确定的，计算是构造的基础，构造是计算的重要补充，两者是相互补充，相互联系的。

绘制施工图是设计的最后一个阶段。施工图是工程师的语言，工程师的设计意图主要是通过施工图纸来表达，施工图纸是施工人员进行施工的主要依据，关系到施工的质量和效率，也关系到工程的质量和使用功能的发挥。因此，在绘制施工图纸时，必须保证图纸的表达正确、规范、简明和美观，以便施工人员通过图纸正确的理解设计意图，保证施工工作与设计工作相联系，保证施工的顺利进行。

4.结构计算

一体化计算机结构设计程序的不断完善和全面应用，使工程师从繁重复杂的结构计算中解脱出来。工程师可以在概念、经验和估算的基础上借助计算机进行可靠的分析计算，经过多次计算比较和调整，使结构设计更加合理和经济。在利用计算机结构设计程序进行结构计算时，要注意以下问题：

4.1对计算参数的选取要正确合理。选取不同的计算参数会得出完全不同的计算结果，要根据实际结构的具体情况和计算程序的功能要求合理选取。比如，高层建筑结构的计算自振周期折减系数的取值，要根据不同的结构形式以及填充墙的材料和数量，选取恰当的数值对计算周期进行折减，若折减系数选取偏大，会使计算地震力小于实际的地震力，造成结构分析偏于不安全，反之则不经济；

4.2对于输入的几何图形、构件尺寸、荷载数据等应认真核对、力求准确无误。避免因数据输入错误造成计算分析结果的错误或较大的误差。

4.3注意实际结构与计算模型的差异。所有的计算理论和设计程序都是建立在一些假定和理想的计算模型之上的，而实际结构的受力状态又是千差万别的，一味地依赖电脑或计算手册的计算结果进行结构设计会给结构留下较多的隐患，所以任何构件的计算都应根据实际情况确定结构的约束关系，并利用结构概念、工程经验对计算结果进行分析，判断其是否合理，以确保最终结构设计的正确。

4.4不能盲目的依赖计算机。因计算软件的缺陷和设计人员不加分析的盲从而导致设计错误的现象时有发生，所以对用于结构设计的计算程序的基本理论假定、应用范围和限制条件以及程序与规范的结合一定要搞清楚；

5.优化结构设计中的问题

在结构构件优化设计的过程中，一定要注意结构本来的受力模型，例如对于框架结构而言，抗震设计的概念是强柱弱梁，强节点弱构件，所以在优化构件的过程，不能一味的加大梁的截面和配筋，否则对于结构的抗震性能不仅无力而且是有害的，对于框架柱子的配筋也一样，不能过分的加大截面，满足位移比得限值即可，过分加大截面，就加大了结构的抗侧力刚度，结构无疑将承担更大的地震力，在目前的经济环境下，这种做法显然是不符合目前的设计大形势的。

还有对于，结构的基础设计，也有许多不同的选择，每种基础形式都用其自身的优缺点，同时，基础设计的地域性比较强，在这方面的设计中，更多的是靠经验的积累及总结。

最后，在施工图绘制的过程中，也要根据结构的受力特点，结合性能设计的一些理念，对相对薄弱的环节，或者是以目前的结构分析手段不能分析的比较明确的地方，进行是适当的配筋加强，同时，对于抗震构造的具体措施可以参照国标的图集，加以具体利用。争取设计出相对比较合理的结构。

6.结束语

综上所述，为了在日益激烈的设计市场竞争中求得生存与发展，为业主提供优质的设计产品，提高设计产品的经济性，已成为每一个设计单位努力追求的目标。由于在建筑产品中结构造价所占的比重很大，通过对建筑结构的优化设计，不仅能够提高建筑物的安全度，而且能够有效的降低工程造价，从而实现投资效益的最大化。

参考文献

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关键词：建筑；结构设计；优化技术

中图分类号：G267文献标识码： A

引言

在进行结构优化设计的过程中，前期合理的结构设计方案至关重要，因为一个合理的结构设计方案不但能够使建筑工程在技术上达到要求，还能够降低其在经济上的消耗。结构设计优化是一个涵盖面非常广的系统性问题，为此我们需要加大对结构设计优化方法的探究力度。

一、结构设计优化概述

结构的设计优化方法主要包括两个方面，一个是从整体出发，对结构模型进行合理调整，通过控制位移、刚度等参数保证结构的整体稳定性。另一个是从分部出发，对建筑物的基础结构、上部结构和围护结构等方面进行优化设计。对这些分部进行优化设计时，需要对建筑结构进行选型与布置，并进行工程造价分析和受力分析等。在具体的结构设计优化中，要以建筑工程的实际情况为基础，以实现建筑的经济效益和综合效益为目标进行设计优化。另外，在进行结构设计前，要对建筑的功能准确掌握，在此基础上尽可能地使各个平面布置的均匀、规则，使不同部位的质量和刚度差异得到缩小，避免建筑物在水平荷载作用下发生巨大扭转。竖向上要尽可能避免转换层的使用，避免应力集中问题的发生。

二、结构设计优化的原则

一般来说，结构设计优化要遵循以下原则。首先就是要符合居住者的需求，也就是说要确保建筑能够满足居住者日常生活所需的基础功能，使得居住者感觉方便舒适。其次，要充分考虑居住者的健康安全，也就是在进行结构优化设计时，必须要把安全性和环保性放在第一位，要使建筑能够长久使用，使得居住者感觉健康安全。然后，还要考虑到开发商的经济利益，因此设计师们在进行结构优化设计时，要使建筑项目资源分配最优化，尽力节省资源和成本。最后，设计师在对结构进行优化设计时，要大胆创新，多借鉴和使用一些新的结构形式和设计思路，不仅仅满足于结构的纵向功能齐全，应力均匀，刚柔度适中，还要根据建筑的特点，充分融入自己的创意和理念，使得建筑能够“形神兼备”。

三、结构设计优化技术

1、结构的抗震性设计

（1）结构抗震等级设计

在结构设计的过程中，建筑结构按其抗震设防烈度分类，建筑的抗震等级可以根据建筑高度、烈度和结构类型按照国家《抗震规范》附表确定。

（2）地震作用振型组合数据

当结构振型数大于3的时，应该取3的整数倍进行计算，但是该数据不可大于建筑物的层数；当建筑的层数小于等于2时，振型数则可以取建筑层数。对于那些不规则的结构，应当考虑扭耦联转，对于高层的建筑来说，振型数应当取大于等于9的数；建筑的层数多或者建筑结构的刚度突变系数较大的话，其振型数则应该多取，例如建筑结构中含有多塔结构、顶部有小塔楼、转换层等，其振型数应尽量取大于等于12的数。

2、结构周期性折减系数

在结构设计过程中，填充墙的存在使得整体结构的实际刚度要大于设计计算的刚度，计算的周期也会大于实际的周期，所以，当算得结构的剪力偏小时，会使结构某些部分不太安全，因而应该对结构的计算周期适当进行折减，以达到更好的效果。对于框架结构来说，一般采用填充墙，计算周期的折减系数可取大约0.6～0.7之间；当填充墙采取轻质砌块或墙体较少时，可取0.7～0.8之间；完全采取轻质性的墙体板时，则可以取到0.9。除非无墙的纯框架，否则计算周期尽量适当折减。

3、重视节点的设计原则

在结构体系中的节点是指各构件交接之处或连接异常的地方。不同类型的构件相连接，同一构件截面改变之处，都会形成需要在设计图中表示清楚的节点。广义上，诸如结构错层，体型改变，设置转换层是大型节点。当强大的荷载突然袭来之时，对于单一的构件，力量传递合理，因而可以控制。对于复杂的结构体系，各节点的复杂性难以预测和控制，即使从理论上保证了每个组成构件的强度和刚度，但因为各个节点的力传递不顺畅而出现应力集中的现象，从而造成结构的破坏。历次灾害表明，从设计不合理的节点开始破坏的建筑占了相当大的比例。

4、刚柔相济的设计原则

合理的建筑结构体系应该是刚柔相济的。结构刚度过大则适应变形能力差，强大的破坏力瞬间袭来时，需要承受的荷载很大，容易造成局部受损甚至最后全部毁坏；而刚度过柔的结构虽然可以很好的释压、传递外力，但容易造成变形过大而无法运用甚至全体倾覆。结构是刚多一点好，还是柔多一点好， 到什么程度才算合适，这些问题需要建筑结构设计师在两者之间建立一个很好的平衡。

5、多道设防的设计原则

安全的结构体系是多道设防的，在实际的建筑结构中，绝大多数结构都为超静定结构体系。当地震来临时，所有能够抵抗外力的构件都在协同工作，如果此时，局部构件在设计或者施工中有瑕疵，一旦由于裂缝等问题影响了局部构件承受荷载的能力，而使局部构件产生破坏的话，静定结构体系破坏带来的后果是不堪设想。近几年国家把这方面的抗震规范补充的更加细致，超静定结构体系的应用，尤其是在砌体结构的楼梯间处的表现尤为突出。这时候，如果把“生存”的希望全部寄托在某个单一的构件上，是相当危险的。超静定结构体系，仅仅理解为纵抗震墙或者框架柱设置为纵贯三道，是远远不够的。当我们设计较为复杂的高层建筑时，也要考虑到局部破坏对整体结构稳定性的影响。理解和活用超静定结构体系就体现了多层设置防线的结构设计思路。

6、概念优化设计与分部结构优化设计相互结合

概念优化设计对结构的整体稳定性具有重要作用。可以肯定的说，经过概念优化设计的结构是能在各种各样可能出现的环境情况作用下使房屋破坏程度最小的。所以，研究分析如何应对建筑可能遭受到的多种不确定因素是检测结构设计合理性的重要途径。地震作为对结构破坏性最大的因素之一，是结构优化设计需要应对的一个重要问题，因此应验证建筑结构对地震等突发事件的抵抗能力。刚度的对称均匀是降低地震破坏力度的重要手段之一；延性设计则能有效地防止结构在地震作用下发生脆性破坏。多道设防的设计思路能使建筑在特大地震作用下先破坏次要的构件，消耗一部分地震能量，从而保证大震不倒。所以这些常用的抗震设计思想在整个结构优化设计过程中都应该引起足够的重视，并得到应用。结构设计应该未雨绸缪，从计算和构造等各个方面都采取一些有助于提高建筑抗震能力的措施，尽量避免不利于抗震设防的工程作法。刚度均匀、延性设计和多道设防等思路在整个设计过程中都应该作为概念设计的重要指导思想。

结束语

我们常说，结构是建筑的骨骼。好的结构设计师总希望可以通过合理的结构体系来增进建筑的安全性与美感。结构设计师应严格遵循“安全、经济、美观”的设计理念，努力探索更合理的结构设计方案，使得建筑成为拥有实用性和艺术性的美妙融合。

参考文献

[1]饶远文.结构设计优化技术及其在房屋结构设计中的应用[J].价值工程，2010，（9）.

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关键词：高层建筑；混凝土；优化设计；方法

中图分类号：TU97 文献标识码：A

在现代建筑中，混凝土结构以其强度高、耐久性好、坚固抗震等优点获得了广泛的应用，并且近年来一些新材料、新技术的逐步应用，在很大程度上提高了混凝土结构的施工效率，减少了施工成本，但是在建筑设计中依然存在一些不合理的现象，因此必须进行优化，才能促进建筑行业的可持续发展。

一、高层建筑混凝土结构的基本要求和类型。

建筑因其高低的不同，它承受力的大小和方向也是不同的。对高层建筑来说，建筑结构承受力的方向同时有水平和竖向两种力的作用。这与低层建筑是不同的，低层建筑结构承受的力方向主要是竖向的荷载，水平力的作用对结构的影响不大。[1]水平荷载不仅仅在高层建筑中是一种主要的荷载，而且它和竖向荷载相互影响，相互作用，共同对建筑施加影响，成为混凝土就够设计中主要考虑的因素。

考虑到高层建筑的这些特点，在混凝土的选用上就需要提高混凝土的质量和数量。首先，我们要对混凝土出厂前进行相关的技术处理，目的是减少水泥的水化热作用，这样可以降低混凝土自身的温度，保证其质量。其次，施工前必不可少的要进行一些必要的应急准备措施，以防在施工时出现意想不到的情况，以确保精心组织、精心施工，万无一失地完成任务。最后，在施工当中，最好采用预拌泵送混凝土，加大对混凝土施工细节的注意，比如混凝土施工缝等。我们讨论的混凝土结构优化设计以及节约建筑成本，都应该在达到高层建筑混凝土结构的基本要求的基础之上进行。

目前我国采用的高层建筑混凝土结构按照时间的发展顺序主要以下几种[2]：

1、钢筋混凝土结构：

与钢结构相比，钢筋混凝土结构的优点在于整体性好、耐高温性强、舒适度较好、抗腐蚀强、成本低、刚度大、维护方便等。现在，随着我国混凝土技术的发展和混凝土理论（高强混凝土、钢管混凝土、钢混凝土、轻混凝土）的发展，我国的钢筋混凝土的发展已经达到了成熟阶段。在我国钢筋混凝土材料受到了很高的重视，应用在很大一部分高层建筑中。

2、组合结构：

相对于钢筋混凝土来说，组合结构更具优点。这些优点主要在于节约钢材、减少污染、提高科技含量、加快施工进程等。所以，对于高层建筑来说，组合结构可以在一定程度上取代钢筋混凝土结构，这就较少了高层建筑的横向和纵向的压力。不仅如此，组合结构在冶金、造船、电力、交通等方面也逐步开始得到应用。

3、新型结构：

相对于钢筋混凝土结构和组合结构，新型结构体系的区分标准是筒体的组成方式。新型结构体系主要有三种类型：框筒体系、筒中筒体系、多束筒体系。之所以称之为新型结构主要是因为与传统的单片平面结构相比，筒体结构可以承受更多的荷载力。在我国，筒体结构的应用并不少见，主要应用的高层建筑的特点是功能多、用途多、楼层高、层数多等。

二、高层建筑混凝土结构设计特点

与多层建筑的结构设计不同，高层建筑的结构设计需要考虑的因素更多，设计中所涉及到的问题更为复杂，设计难度更大。这是因为高层建筑不但增大了对地基基础的荷载与强度要求，同时其自身的结构构件柱、墙、梁、板的承载能力、抗震能力也都需要得到保证，只有这样才能确保建筑自身的稳定性与安全性[3]。

1、水平侧向力是影响高层建筑结构设计中关于变形设计的主要影响因素。高层建筑受到的水平力主要为日常的风荷载及地震荷载作用下产生的水平地震力。与普通多层建筑相比，高层建筑的结构中更需要考虑到侧向力对建筑结构的影响，这是因为高层建筑受到水平荷载会产生较大的水平位移，影响到建筑结构的整体稳定性和舒适性。因此在结构设计中要尤其注意考虑到这一点。

2、结构的刚度布置需适宜。有人认为在建筑结构的设计中，结构的刚度越大则其承载能力越强，抗震性能就越好。其实不然，高层建筑的结构并非是刚度越大越好，刚度及质量越大，吸引的地震力也越大，同时造价也会提高，所以高层建筑结构需同时具备一定的柔性，这样才能增大其抗震性能，保证其在外力作用下，不会因刚度和脆性过大而发生倒塌。因此在设计中应该将建筑的刚度控制在适宜的范围内，不可过大，也不可过小。这也就要求高层建筑应当具备一定的延性，同时满足建筑的承载能力和抗震能力。

三、钢筋混凝土结构优化设计应用分析

1、工程概况

某钢筋混凝土框架——剪力墙结构建筑由四层裙楼和A、B两栋高层建筑组成，地下两层为停车库和设备用房。总建筑面积约2万m2，房屋平面布置为不规则形状[4]。

2、结构设计要求

本工程采用钢筋混凝土框架——剪力墙结构，建筑结构的安全等级为二级。地震基本烈度为7度（0.1g，第二组，特征周期0.4s），抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为7度（0.1g，第二组）。地基基础设计等级为乙级。上部结构和负一层的框架抗震等级为二级，剪力墙为二级结构，负二层的框架抗震等级为三级。基本风压：Wo=0.35kN/m2，地面粗糙度为B类。

3、设计优化的原则

在满足结构设计现行规范和相关规定的前提下，通过大量计算和经验分析进行优化，遵循以下原则：保证结构的安全性和正常使用；保证结构具有合理的刚度，特殊部位应有局部加强；可以减小的结构构件，应进行有效的核减。

4、结构优化设计

高层框架剪力墙结构体系中，主要是水平荷载作用下，框架和剪力墙内力分配设计，其中剪力墙的设计位置和数量就是关键。

1）结构最优设防的选择

在预测地震烈度概率分析的基础下，使用专业地震安全评价报告的数据，采用模糊综合评定分析法计算结构的模糊延性向量和模糊抗震强度，损失等级概率和震害损失的概率预估期望值，在满足最大投资期望和最大损失约束条件下，求出最优地震设防烈度值。

2）框架与剪力墙协同工作，承载力、刚度、延性能力的最佳匹配设计

框架——剪力墙结构的设计主要是结构刚度和结构延性的最佳组合。结构刚度对结构的主要影响为结构的自振周期和侧向位移，结构延性对结构的影响主要为保持承载力能力的前提下的变形能力，因此可以采用结构整体的侧向位移量来协调结构的刚度和延性，按规范对层间位移量和顶点位移总侧移的限值来控制结构的刚度和延性设计。

3）框架——剪力墙结构的优化设计

框架——剪力墙结构优化设计的原则就是优化结构的各个杆件，结构模型计算时，通过一次性完成的结构构件的输入，然后逐步优化各个杆件，以达到结构杆件合适、配筋合理，节约工程造价。

4）基础优化设计

在地下室基础的初步设计工作中，原初步设计地下室基础拟全部采用筏板基础，经审核计算后，提出纯地下室基础部分采用独立基础加抗浮底板及抗浮锚杆的做法能做到节约钢筋、混凝土。同时保证结构安全，施工简便，能达到更加节省工程造价目的。

5）强化“强柱弱梁、强剪弱弯”设计理念

框架结构的柱、剪力墙设计要引起重视，要加强设计；而梁和板的配筋不宜调大，梁的设计变量主要是截面高、宽及纵向受拉钢筋的截面积和架立钢筋的截面积，优化设计主要针对以上设计变量进行优化，因此梁的截面尽量按正常值取定，少做宽扁梁，配筋率也应控制在 1.5%左右，次梁的箍筋宜分为加密区和非加密区。

四、结束语：

通过优化设计后，本工程的最终优化的结果为：节约钢筋65t，节约资金约32万元。高层建筑混凝土结构的优化设计方法多种多样，但是不论使用哪一种方法都要建立在施工的可行性的基础之上，施工技术必须严格依照设计标准。高层建筑混凝土施工技术是科学元素和技术元素的融合和应用，它的实现过程必然需要建筑施工各环节基础技术的支持和管理理论的强化。所以，设计与施工的相辅相成才是实现合理、科学节约成本的有效措施。

参考文献：

[1]杨克家,梁兴文,张茂雨.带加强层超高层建筑结构基于能力谱法的抗震设计[J].地震工程与工程振动,2010.

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关键词：建筑结构；设计；优化设计；分析

1 建筑设计优化的重要意义

使用合理的优化方法，对建筑的结构设计进行优化，既能降低整个工程的造价，还能提升建筑的经济价值，从而能够有效提升建筑的经济效益。

1.1 使工程的造价降低

建筑工程结构优化设计在会充分的考虑到现行阶段的建筑行业的发展趋势来进行剖析，根据现行的建筑特点来进行设计，如当前的高层建筑和高层的住宅偏多，因此其层数很多，在建筑用地面积不变的情况下建筑总面积很大，在面对高层建筑的结构设计时，为了节省用地，会将建筑物的房顶进行细致的规划，可以保证整个工程的总造价降低，节约成本。

1.2 能够提高建筑结构的经济效益

建筑结构的设计需要保证到建筑工程的经济效果，随着建筑的层数的增加，高度也会增加，与其相关的墙体面积、柱体面积及配套的设施如管道等都会增加很多，层数比较少或者高度比较低时相应的建筑就会节省一些这样的荷载。同时，高度越高的建筑，相邻之间的距离也会比较远，这样不利于节省用地开支的目标实现，如果让建筑的总高度下降，那各建筑之间的距离也会靠的近一些，这样可以节约用地。另外，相同面积的建筑之间，建筑的平面形状不同会使得其周长不同，越规则的平面形状其周长会小一些，并且能够提高其荷载的性能，增强了建筑的质量。优化创新后的建筑结构设计相较于传统的设计，能够有效降低建筑的总造价，能够有效的提高建筑结构的经济效益。

2 建筑结构设计优化的具体内容

建筑结构优化设计的内容可以分为目标函数选择、变量选择、约束条件选择三个步骤，每一个步骤都涉及到建筑结构优化设计的一个方面的内容。

2.1 目标函数选择

确定建筑结构的目标函数是建筑设计人员对建筑结构进行优化创新设计时的第一步，通过采用相应的技术与办法，以建筑的面积的参数以及建筑可以达到的安全标准为前提，结合建筑建设所用的建筑材料等进行系统的规划和计算，要保证相关的参数在计算的过程中要满足相关的需求。合理科学地选择建筑的工程造价模式是建筑设计相关人员在建筑结构优化设计过程中必须要进行的工作，要尽量优化建筑结构设计，在保证建筑质量的前提下，降低工程的总体造价。

2.2 变量选择

建筑工程的设计阶段，除了对建筑工程优化设计的目标函数进行正确的选择，还要对建筑结构的进行变量选择，变量的选择对于建筑结构的设计也是至关重要的。变量选择，顾名思义就是对影响建筑结构设计的各种会变化的因素进行分析和选择，并研究其中会对建筑结构设计造成的影响最大的一个因素，然后在实际的设计过程中，对其进行评估计算以及控制其影响程度，以发挥建筑工程结构设计优化方法的作用。

2.3 约束条件选择

建筑工程是一个复杂而又系统的工程，因此在实际的设计过程中，受许多约束条件所影响，在对建筑工程结构设计进行优化设计时，必须要考虑到建筑工程的约束条件、对约束条件的准确判断，能够实现建筑结构优化设计的最大化。比如，在建筑设计时，设计人员对结构的强度、尺寸、应力等等因素所存在的约束条件进行判断选择，要以建筑工程的实际情况作为出发点，进行科学合理的选择，使得建筑结构设计的优化工作具有模范性和科学性，给建筑工程的施工打好基础，提高整个工程项目的效率和经济效益。

3 建筑结构设计优化的具体措施

建筑结构的优化方法，是由建筑结构的整体设计优化方法以及建筑结构的细节结构优化方法@两个发面体现出来的。在建筑结构整体的优化设计中，要立足整体，全面的分析总体的数据，并相互协调，确保选出最优的优化方法。在细节结构优化设计中，要对建筑结构的各个方面进行剖析，合理划分为不同的部分，逐个解决相关的选型、布置、造价等几个部分的优化设计，实现降低工程造价的目标。

（1）拓扑优化法。拓扑优化法，就是通过在建筑结构设计优化过程中，结合建筑自身的特点以及实际的用途和情况，正确找到理想化的建筑结构分布形式，全面的分析建筑结构的刚度和其他与结构相关联的属性，来减少建筑结构自身的重量，从而提升建筑的性能。设计人员要充分掌握以及了解拓扑分析方法的优点，合理运用拓扑分析方法，使得设计出来的建筑结构拥有很强的逻辑性。

（2）截面优化法。截面结构的可靠性以及安全性是建筑结构优化设计时相关人员必须要考虑的一个重要方面。截面结构作为建筑结构的细节所在，其性能是最能体现出建筑的整体性能的。在实际的设计过程中，为了保证截面结构的的可靠性与安全性，设计人员要对建筑结构中所涉及的界面进行准确的计算，然后再进行设计，不仅可以提升建筑结构的稳定性，还可以提高建筑的美观程度。具体的方法有，可利用有限元方法来计算设计变量的结构位移情况以及应力特点，然后用计算设备对获得的数据进行验算和分析，得出结果后，根据其需求调整，确定调整的范围，在此范围中再进行区域优化设计。

（3）外形优化法。外形优化是在界面优化的基础上进行完善的，以达到更好提升建筑的结构设计质量的目的。在对建筑结构进行外形优化时，相关人员要对建筑的整体情况掌握得很清楚，再根据我国现行的建筑柱结构设计的相关标准，在掌握的建筑的情况的基础上进行改进。建筑结构的外形特征就是利用外形优化法来进行划分的。外形优化方法在实际的实施过程中，通常会采用连续性结构与杆系结构。建筑结构的节点坐标选取是杆系结构的重要环节，节点坐标在选取好后，要将其作为设计的一个变量，来实现建筑外形优化设计的目标及需求。

（4）细节部分结构设计与概念设计相结合。概念设计优化方法，是在比较缺乏详细的相关数据的情况下进行的。某些因素是具有不确定性的，比如地震，在对建筑的抗震能力进行设计时，由于缺乏详细的数据，只能通过概念设计的优化方法，将一些存在的数据当作辅助来进行。同时，通过结合上诉的一些结构优化方法，使得优化效果更佳。另外，在设计的过程中，对建筑结构的细节部分进行优化设计是必须要做的工作，如现浇混凝土施工过程中，异形板料的弯曲部分容易开裂是一个比较突出的问题，对此我们将其进行简化，然后再选择钢筋，这样能有效的降低混凝土出现开裂现象的几率，不仅提高了经济效益，最重要的是满足了建筑结构的基本需求。

（5）对地基结构进行优化设计。对建筑的地基进行优化设计也是优化整个建筑结构的有效方法。选择合适的方案对于地基的结构优化来说很重要，例如，桩基类型的选择，要以实际的施工情况为准，并实现降低造价的目标，然后以桩端持力层的厚度为参考，选择科学合适的灌注桩长度，且对不同的优化方案进行集中对比，尽量使得选择的方案是最佳的。再比如，桩筏基础是某建筑结构的原有设计方案，通过把该设计利用的桩筏基础改为桩基础的优化方法，设置不同的承台，在此优化中，在保证总的沉降值和不均匀沉降值的前提下，顾及到的是基础传力的传递路劲越短会越省材料的原因。与桩筏基础设计方案相比，桩基础是一个更好的选择。

4 结束语

综上所述，建筑结构的优化设计能够使得建筑质量更好、更加美观、降低工程造价以及提升建筑的经济效益，在建筑行业竞争激烈的今天能够提高企业的竞争力，也能够为人们带来更有安全保障和质量保障的建筑物，因此其在建筑工程中是一个很重要的环节。但在建筑结构优化设计在实际的实施过程中，是比较复杂的，需要多方面的出发，充分结合实际的情况选择科学合理的方案，以实现对建筑结构进行最佳的优化目标。

参考文献

[1]李贵江.建筑结构设计优化设计新方法探析[J].江西建材，2017（01）.

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社会的发展促使人们的生活水平得到了很大的提高，注重物质生活水平的追求也不断提高，这就形成了对建筑水平多样化的要求，要想在节约建筑成本与建造高质量工程中有效统一，就需要一定的建筑结构优化设计，建筑结构优化设计不仅能够在资源上节约成本的支出，还能够实现在资源的有限条件下使建筑的质量功能水平最优化，能够提高空间的利用率，发挥资源的最大功效，建筑的高质量包括建筑的环境以及使用功能，结构设计优化符合一定的经济发展原理，对资金，土地资源空间，建筑质量与水平都能做到合理的优化，建筑结构优化对于建筑行业的发展以及未来的经济可持续发展都有着很重要的作用。

2建筑结构优化设计的特点内容分析

建筑结构设计的优化是通过整体建筑的要求决定的，首先要了解整体建筑的设计理念，这样才能够进一步的确定建筑的整体结构，才能开展建筑设计的优化工作，确保在有限的空间及资金条件下，优化建筑水平，建筑结构设计也有着自身的特点，要考虑建筑结构的整体性，把握好建筑的一般结构类型，了解建筑结构的特点，这样才能够在进行建筑结构设计的时候充分考虑到各种条件方面的优化，还要根据建筑的整体结构，还有建筑结构的特点来设计合适的结构类型，确定具体的结构配置，以及所需资源的构件，对各种建筑结构进行设计优化时，还要考虑整体建筑的布局类型，实现科学技术与建筑艺术性设计的结合，通过对建筑结构的进行优化来找出最好的建设方案进行建筑设计。

3建筑结构优化设计中存在的问题

在进行结构设计的优化过程中会存在很多的问题，对于一些低层建筑物，建筑结构设计原理基本上都是一致的。但是由于土地资源的有限性，空间的局限性，目前高层建筑不断地发展，对于高层建筑来说，建筑结构设计就要增加新的控制因素，较高的承载需要结构上的绝对稳定，这就给建筑结构的设计增加了一定的困难，越高层建筑承载力需要越大，在安全稳固方面就越困难，这些问题都会对建筑结构设计的优化造成很大的压力。另外对于建筑结构设计的技术要求来说，要想优化技术水平，就要了解建筑结构设计的要求跟使用功能，这就需要在考虑众多细节问题的同时也要把握经济的适用性，优化技术是要从建筑整体跟组成构件出发，对于建筑中的各个结构部分都要做到优化解决，用有限的资金做出最优的方案，实现经济与质量的有效结合。

4建筑结构优化设计的应对不足措施

首要要对建筑结构设计的重新认知，要提高建筑结构设计的优化技术，在进行建筑结构设计时提高对建筑质量的要求并且结合建筑的美观等问题。具体的表现在：设计师在设计建筑结构方案时，要结合建筑参数，对工程的目标进行一个预测规划，这样可以实现建筑工程中的资源经济控制，有利于建筑结构设计的优化设计工作，更好的实现工程建筑的目标；建筑结构设计要根据建筑的设计来确定最终的方案，根据固有的建筑面积最大限度的设计出结构的合理限度性以及空间的利用率，减少工程造价成本；而且由于建筑本身承担的功能作用就是安全稳定持久耐用，以及美观性，所以在进行建筑结构设计时要考虑多方面的影响，包括建筑的整体功能，建筑的安全稳定，还有各种可以完善建筑的设计施工，在设计时综合对这些条件进行考虑设计，实现建筑结构设计优化的目的。

5建筑结构设计优化的应用方法分析

建筑结构设计优化是为了解决在建筑结构设计中经常出现的一系列问题，所以建筑结构设计在应用时要注重对结构设计技术优化的分析，建筑结构设计不是单一方案，是根据具体的建筑情况规划的多方案的结构方案，对于同一个建筑方案有着不同的建筑结构方法，这就使得在选择的过程中，不断地对比研究，重在完成高质量的同时减少资源的利用以及资金的节俭，最大限度的降低工程的造价，这就要求设计师在进行设计时，要具有较高的建筑结构设计经验和设计优化水平，科学合理地优化设计方案。同时在进行建筑结构设计时，也要注意结构应用技术优化的作用，在对设计师的培训选择中，注重对经验的要求，培养设计师的创造性，这样才能更好的进行设计的优化工作，实现建筑结构设计优化的技术与应用完美的结合。

6建筑结构优化设计相关图例分析

我国各个城市都有自己的图书馆，纵览现代图书馆的设计，可谓千姿百态，不拘一格。有的利用老旧的图书馆加以施工，给人一种复古的感受，而有的图书馆设计采取新颖的设计理念设计，带给了人们现代的感觉。总的来说图书馆内部不但要讲求通达、方便、舒适，而且其外部造型更要具集典雅庄重、美观于一体，既要坚持馆舍总体布局科学、适用的原则，在功能上满足人们的需求，又要给人以建筑艺术美的享受。具体来说现代图书馆设计应具备以下几个功能特点：（1）内部设施要有灵活性。（2）合理的建筑布局。（3）方便读者的使用。（4）馆舍可扩展性。（5）内部设施的使用性。（6）室内布置的统一性。（7）舒适的阅读环境。（8）确保文献的保存。图1为某图书馆建筑几乎采用了完全的特制玻璃设计，这样不但能为内部环境的透明度和光照条件加强，而且可以减轻热量的吸收，眩光等影响；内部设计采用多层组合的方式进行功能上的分层布局模式。而且它是围绕中央大厅的设计形式，结合了中国古建筑中具有庭院的设计风格。该图书馆建筑面积超过540，000平方英尺，在满足收藏图书的同时，布局了多个现代化的电子阅读室，音乐厅，画廊室，以及会议设施，大大在单一的图书馆基础上扩展了该建筑的实用性。其外形设计不但表达对自由和知识的重要性，更加发展了现代建筑的结构设计理念，无论是从内部设计还是外观的结构设计都有了巨大的进步，符合建筑结构优化的设计。

7结束语

篇10

关键词：优化;建筑;结构;设计;措施;研究

0 前言

在国民经济快速发展、稳固增长的带动下，人们的物质、文化生活水平得到了显著提高，这期间，人们的消费理念也发生了巨大的变化，逐步向高品位、高质量方向转变，因此对生活、工作、学习等环境提出了更高的要求，例如对房屋建筑的要求，人们在过去对房屋的要求可能只是简单的遮风、避寒的要求，而现在在此基础上又提出了舒适、审美等要求。对此，现阶段的房屋建筑结构设计在满足建筑结构质量、安全的情况下，还需要满足人们的审美要求。同时，不断优化建筑结构设计也是提高建筑企业经济效益的需要，所以，在新时展下开展房屋建筑结构设计工作过程中，我们设计人员要牢牢把握住经济、合理、适用的原则，并以此为优化设计工作的指导理念，同时要采用现代化技术，这样才能在降低建筑工程成本的同时，保证建筑结构的安全、稳固，满足人们审美的需求，实现企业的可持续发展。下面，我们就通过以下几个方面来详细探讨下优化建筑结构设计的有效措施。

1 对建筑结构优化设计理论的研究

建筑设计实质就是设计师在遵循美观实用等原则的前提下，根据建筑地区不同的情况进行综合利用，运用建筑学设计理论进行设计。就建筑学的设计理论而言，主要有两个体现部分：于建筑工程的结构设计、于建筑结构优化设计。房屋建筑工程结构优化设计包括了对内部结构细微部分的优化设计、对围护结构的优化设计、对房屋顶部的优化设计，还包括了工程造价方面对建筑造价的分析、对建筑物的受力分析以及对周围设施的布置等方面。房屋结构设计不仅需要在设计前期加以重视，还需要在施工和建设后期的关注。在进行具体建筑施工中，需要根据建筑的实际情况不断的改进方案选择最佳方案，将房屋建筑综合指数最佳的设计方案作为施工建筑的蓝本。现在的建筑设计环境对于设计人员来说是一项新的挑战和要求，因此，作为一个设计人员，要用于应对挑战，在设计的过程中不断的进行对比分析，从中选择出最优方案。在设计一些建筑的时候，设计师要根据自己学过的设计理论，在结合建筑当地的环境和建筑条件，遵循安全实用、大方美观、节省材料的原则，开展方案设计工作，从而达到房屋建筑的最佳效果。设计人员根据工程情况，在工程的过程中对方案进行具体设计和步骤的优化。在设计平面上，建筑物需要尽量保持对称，尽可能地缩小差异。

2 优化建筑结构设计的措施

本文结合大量的实践工作以及自己多年工作经验总结出优化建筑结构设计的措施具体表现在以下几方面，下面，我们就来详细了解下。

（1）不断加强剪力墙的优化设计。其中连梁是剪力墙设计的重点，这就要求我们将联肢墙的应用重视起来，联肢墙是利用连梁之间的各个墙通过连接形成，把墙肢的约束条件增加了。这种设计不仅可以有效的提高建筑物抗震能力，还使墙体的各个部分得到了更多的内力，虽然在具体施工中会造成一定建材的浪费，但是其所取得的效果是显而易见的。另外，当我们对建筑结构进行设计的时候，还要在保证结构刚度和变形要求的同时，从经济方面和抗变形等角度进行综合的考虑，这样才能做到最优化。

（2）要求设计人员要重视细部的优化。设计人员在注重整体结构协调的同时，也经过将细部结构设计重视起来。如在现浇板设计工作中，我们可以将异形板划分为方形版，这样就可以使得建筑物受力均匀，避免日后出现断裂现象。如在建筑基础设计中我们应该选取冷轧钢筋作为材料，这样既可以提高建筑的抗震性能，又可以有效的减少钢筋使用数量，降低成本投入。

（3）注重利用计算机技术。随着计算机技术的成熟发展，计算机技术已经广泛的应用到了建筑的结构设计中。通过建筑结构优化设计和计算机技术的结合，设计师利用计算机仿真的设计优化方法对建筑结构优化设计带来了很多新的思路。建筑设计师能够利用计算机软件建立各种便于分析的模型，并通过计算机的优化计算，为设计师提供精确的数据，最后达到建筑设计的优化。计算机技术的运用可以说把建筑结构优化设计这样一个工程的问题转变成一个数学的问题。

3 结语

总之，不断优化建筑结构设计，不仅可以有效提高建筑的功能性、安全性、稳定性，还可以充分的满足人们的审美要求。所以，我们作为新时展下的建筑结构设计工作人员，在设计工作开展过程中不断创新设计理念、创新设计方法、设计技术，实现建筑结构的优化设计。

参考文献：