建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用

一、引言

房屋建筑作为人们生活、工作与社会活动的主要场所，其结构设计的合理性直接关系到建筑的质量、使用功能、建设成本以及全生命周期的运维成本。在有限的资源条件下如何打造出既满足人们多样化需求又具备卓越性能与经济效益的建筑成为建筑行业面临的重要课题。建筑结构设计优化方法应运而生，它贯穿于房屋结构设计的全过程，通过精细化设计、科学决策，挖掘结构潜力实现建筑综合效益的最大化，为现代建筑发展注入强大动力。因此，对建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中应用的研究成为重要的课题。

二、建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用的目标

（一）安全性提升

保障房屋结构在各种预期荷载工况下的稳定性与承载能力是首要目标。无论是日常的恒载、活载，还是极端天气条件下的风荷载、地震荷载，结构都必须具备足够的强度、刚度与延性，以防止倒塌、严重破坏等危及生命财产安全的事故发生。例如，在地震多发地区通过合理配置结构构件，如采用抗震性能良好的框架-核心筒结构增强结构的耗能能力与整体性，确保建筑在地震时能为人员疏散提供足够的时间与安全空间[1]。

（二）功能性优化

满足不同用户群体对房屋空间使用功能的需求。住宅建筑需注重居住的舒适性，合理规划户型布局，保证房间的采光、通风良好，动静分区合理；商业建筑则要适应灵活多变的商业运营模式提供开阔无柱的大空间，方便店铺布局与顾客流动；办公建筑强调高效便捷的竖向与水平交通组织以及舒适安静的室内办公环境。通过结构设计优化使建筑空间得以充分利用，功能布局更加合理，提升用户体验。

（三）经济性改善

在满足安全性与功能性的基础上追求建筑成本的最小化。这涉及到建筑材料的合理选用，避免过度设计导致材料浪费；构件尺寸的精准确定以恰到好处地满足力学性能要求；施工工艺的科学选择降低施工难度与成本。例如，选用当地常见且价格适宜的建筑材料既能保证供应及时性又可减少运输成本，同时通过优化结构构件尺寸，使钢材、混凝土等材料用量得到有效控制，降低工程造价。

三、建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用应遵循的原则

（一）整体性原则

建筑是一个有机整体，结构设计优化必须综合考量建筑、结构、给排水、电气等多专业协同。结构布置应与建筑空间规划相契合避免因结构构件影响建筑外观与使用功能。例如，在设计大跨度公共建筑时结构选型要兼顾建筑造型的流畅性，同时确保内部空间无明显结构障碍，满足集会、展览等功能需求；给排水、电气管线的敷设路径也应与结构构件协调，防止相互冲突，提高建筑系统的整体运行效率。

（二）可行性原则

优化方案要充分考虑施工技术水平、施工条件以及当地建筑材料供应等现实因素。不能仅从理论理想状态出发，设计出在施工现场难以实施的方案。例如，选用新型复杂的结构连接节点，若当地施工队伍缺乏相关经验与技术装备将导致施工进度延误、质量难以保证；若指定的高性能建筑材料在当地市场稀缺、采购成本高昂且供货周期长也会使优化方案失去落地的可行性，因此要确保设计与实际紧密结合。

（三）动态性原则

建筑行业发展日新月异，设计规范、建筑技术、材料性能以及市场需求不断变化。建筑结构设计优化要与时俱进，持续关注这些动态因素适时调整优化策略。例如，随着建筑节能要求的提高新型保温隔热材料不断涌现，结构设计时需考虑这些材料的重量、力学性能对结构的影响，及时优化结构体系；又如，当建筑智能化趋势加强，电气设备增多，结构设计要预留足够的空间与荷载储备以适应未来功能拓展需求[2]。

四、建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用

（一）基于概念设计的优化

1.结构体系选型优化

依据房屋的功能定位、高度、地质条件等关键因素从宏观层面选择最适宜的结构体系。对于层数较少、功能简单的小型住宅或仓库砌体结构凭借其施工简易、成本低廉的优势可作为优先选项；而对于高层住宅、写字楼等，框架-剪力墙结构或剪力墙结构则能凭借良好的侧向刚度有效抵御风荷载与地震作用，保障结构稳定。在超高层建筑领域筒体结构更是以其卓越的抗侧力性能脱颖而出，为建筑向高空发展提供坚实支撑。

2.结构规则性优化

强调结构布置的规则性，尽量避免平面不规则（如扭转不规则、凹凸不规则等）与竖向不规则（如侧向刚度突变、楼层承载力突变等）现象。规则的结构在地震作用下反应更均匀，内力传递更顺畅有利于降低设计难度与工程造价。例如，在设计住宅组团时保持各栋建筑平面形状简洁对称，竖向刚度均匀变化，不仅能提升结构抗震性能，还便于施工标准化，减少模板种类，提高施工效率。

（二）基于力学原理的优化

1.荷载取值优化

精确确定作用于结构上的各类荷载是结构设计的基石。在遵循现行荷载规范基础上结合工程实际特点细化荷载取值。以屋面荷载为例，对于上人屋面与不上人屋面活荷载取值差异明显；对于处于不同地形地貌、气候区域的建筑风荷载取值需考虑当地的基本风压、地形系数、风向玫瑰图等因素，精准计算避免荷载取值偏大导致设计保守浪费，或偏小危及结构安全[3]。

2.构件截面尺寸优化

根据结构内力分析结果合理调整构件截面尺寸，使其在满足强度、刚度、稳定性要求的前提下，尽可能接近最优经济尺寸。例如，对于受弯构件如梁通过计算其弯矩、剪力分布，在跨中与支座等关键部位合理配置截面高度与宽度，避免截面过大造成材料浪费，或过小无法满足承载能力要求，实现材料利用的最大化。

（三）基于数学模型的优化

1.线性规划优化方法

将结构设计中的关键变量，如构件截面尺寸、材料用量等设为决策变量，以结构重量、造价等作为目标函数，依据结构力学平衡方程、规范约束等建立一系列线性约束条件。利用线性规划算法求解快速获得满足约束且使目标函数最优的解。这种方法适用于结构相对简单、变量间线性关系明确的设计场景能高效给出较优设计方案，提升设计效率，如小型单层工业厂房的结构优化设计。

结论

总之，建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用是实现建筑可持续发展、提升建筑综合效益的核心举措。通过明确优化目标、遵循科学原则，综合运用基于概念设计、力学原理、数学模型以及计算机辅助技术的多元优化方法能够在保障房屋结构安全可靠、功能完备的同时显著降低建设成本，提高资源利用效率，提升建筑的市场竞争力。展望未来，随着建筑科技的迅猛发展，如新型建筑材料的研发应用、智能建造技术的推广普及以及绿色建筑理念的深入贯彻，建筑结构设计优化方法将迎来更广阔的发展空间。建筑结构设计师应持续学习、勇于创新，将先进的优化技术深度融入设计实践，为打造更多高品质、高性能、高性价比的房屋建筑奠定坚实基础，推动建筑行业迈向新的高峰。

参考文献：

[1]曹云.建筑结构设计优化方法在房屋结构设计中的应用[J]. 城市建设理论研究（电子版），2024（07）

[2]高雅儒.房屋建筑结构设计优化技术应用研究[J]. 低碳世界，2022（06）