摘要：本文从基础拉梁的设计，基础的设计荷载取值，箍筋与框架梁的间距，钢筋混凝土框架的结构设计，建筑结构的计算周期，在风载荷与地震载荷作用下建筑结构的设计及建筑地下室设计等几个方面对建筑工程结构设计的优化问题进行分析。
关键词：建筑工程；结构设计；优化
Abstract: based on the basic pull beam design, the design of the base load determination, stirrup and frame beams of the spacing, reinforced concrete frame structure design, structure of the calculation of the cycle, in the wind load and seismic load of the structure of the building design and construction of the basement design aspects of the architectural engineering structure design of the optimization problems are analyzed.
Keywords: building engineering; Structure design; optimization
中图分类号：TU318文献标识码：A 文章编号：
随着时代的发展，我国城市出现了大批高层建筑结构。目前高层建筑结构中的结构布置越来越多样化；层数变化也较大，由十几层到三、四十层不等；结构类型亦趋于复杂化，导致工程造价很难得到有效控制。对于我国经济尚不发达的国情来说，如何对结构设计进行优化，把结构设计得尽可能理想，既经济又安全实用，是当前面临的一个重要问题。
一、建筑工程结构设计的优化方法
1.结构设计的优化分解法。
该方法是将建筑工程结构设计的优化问题分解成比较小的子问题，如基础、屋架、梁、柱等。优化过程分为两级。第一级是对各个子问题单独进行优化处理。这时可以根据各种不同类型的结构如框架、梁、柱等即各子问题的特点，分别采用各不相同的优化方法。第二级是对第一级子问题的优化方法进行综合调整。循环几次后，即可得到各自适应的优化方法[1]。这种方法的优化过程具有良好的收敛性，且计算工作量较小。
2结构设计的变换分析优化求解法
该方法是把优化目标当作优化依据，对影响结构设计的各个因素进行分析，从而得出一个规律或者方向，以指导结构设计的优化。继而再用优化方法达到结构整体最优化的目的。
二、建筑工程结构设计的优化问题分析
1.基础拉梁设计的优化
基础拉梁的设计应按框架梁相关参数进行设计，并按规定对箍筋加密区进行设置。从抗震的角度来说，基础应选择短柱，基础拉梁应顺着两个主轴的方向进行设置。基础拉梁的截面宽度一般取短柱中心距的1/20～1/30，高度一般取短柱中心距的1/10～1/15。 纵向钢筋受力值可取其连接柱子最大轴力设计值的1/10。基础拉梁的配筋必须满足最小配筋率的要求。一般要求基础拉梁顶标高与基础顶的标高相同。当钢筋混凝土框架的层高不足或者建筑的基础埋置过浅时，通常需要设计较大的基础拉梁。较大的基础拉梁需进行通长设计 。建筑基础拉梁的正负弯矩钢筋及抗震相关结构应与上部钢筋混凝土框架保持一致[2]。
2．基础设计荷载取值的优化
对于框架结构，建筑物的柱下基础一般设计为相互独立的。对于层数低于8层且高度低于25米的普通建筑，若地基的关键受力部位不在软性粘质土层，则可以省去基础抗震能力的校验步骤。钢筋混凝土框架的优化设计必须考虑风载荷。此外，独立基础外荷脚内力的设计值，应取轴力设计值。若取为剪应力设计值或弯矩设计值则会使设计的独立基础尺寸偏小，可能会对建筑物上部结构的安全造成威胁。
3.箍筋与框架梁间距的优化
对于抗震等级不同的框架，箍筋与框架梁的间距不同。一般情况下，加密区箍筋与框架梁的间距不超过10cm，非加密区钢筋与框架梁的间距不超过20cm。合理地设计箍筋直径及其箍筋与框架梁的间距对建筑工程结构设计的优化具有重要意义。需要注意的是，在设计非加密区柱、梁的配筋时，不需考虑高剪应力弱弯矩的规定，即可以不计算剪应力的增大系数及弯矩的减少量[3]。
4.钢筋混凝土框架结构设计的优化
现在广泛采用准则法对钢筋混凝土框架结构的设计进行优化。该方法的基本思想是：首先根据经验给出建筑结构的初始截面，并采用有限单元法在各种情况下对建筑结构的整体进行内力分析。然后把结构分解为单一的梁、柱等构件，根据已求出的各构件的受力情况，进行分部优化。最后通过递推公式及多次循环，达到满意的优化结果。需要注意的是：采用准则法对钢筋混凝土框架结构设计进行优化时，需根据实际情况，区分有效约束和无效约束。
5.建筑结构计算周期的优化
框-剪结构墙、框架结构墙、剪力结构墙等都存在填充墙，则使设计周期比建筑结构的实际周期短。这会导致设计承受的剪应力偏小，会对建筑物的抗震结构造成安全隐患。因此，一定要对建筑结构的计算周期进行折减。对于框架结构，使用重质砌体作填充墙时，折减系数取在0.6～0.7之间，使用轻质砌体作填充墙时，折减系数取在0.7～0.8之间，使用超轻质墙板时，折减系数取0.9[3].
6.框-剪结构在地震载荷作用下剪力墙数量的优化
高层建筑结构在地震时是否安全，除建筑强度外，建筑适应变形的能力更为重要。确定建筑结构的合适刚度，控制侧向位移，是建筑结构抗震设计及优化的主要研究课题。在框-剪结构中，起抗震作用的主要是剪力墙。因此，需优化剪力墙的数量及相应厚度，以构成合适的刚度，这对优化建筑抗震结构具有重要意义。在地震区，若剪力墙刚度选择过小，则不能达到地震载荷的目的；若剪力墙刚度过大，会使房屋的自振周期减小，地震载荷相应的增大。因此，必须合理选择剪力墙的强度，使它具有最小的抗侧移刚度。一般来说，地震载荷与剪应力墙刚度是正比关系。通过建立数学模型，求得最小惯性矩，而后根据建筑结构的平面布置确定剪应力墙的数量和相应的厚度。
7.框-筒结构在风载荷作用下尺寸的优化
在非地震区及沿海地区，高层建筑所承受的侧向载荷主要是风载荷。框-筒结构是目前高层建筑经常采用的一种结构形式。其优点是：平面布置规则，建筑空间大，抗侧向力强度高。在框-筒结构中，筒体设置的目的就是承载水平侧向力。许多实验及资料都表明，框-筒结构中，筒体承载了约70%左右的风载荷，并且还承受了部分纵向载荷[4]。严格意义上讲，风载荷是沿建筑物的高度而变化的。但是实际计算中为了方便，可沿建筑物的高度分为若干点来计算风载荷。根据所建立的数据模型及约束条件，选择最经济安全的筒体的高度和厚度，实现框-筒结构在风载荷作用下尺寸的最优化。
8.建筑地下室层数的优化
多层框架结构建筑的地下室通常采用筏板式基础。在设计计算中，需将地下室层数和上层结构同时输入，且必须按实际地下室层数填写相关信息。这样可以使地基和基础底板的纵向载荷同时计算，同时，也可减少抗震设计的计算量。若信息中填写的地下室层数小于实际的地下室层数，则会导致弯矩设计值的增大系数乘错位置，直接影响建筑基础的抗震能力。
四、结束语
随着时代的进步，高层建筑将不断发展，建筑的材料、形式及力学分析模型也将更加复杂与完善。通过对建筑工程结构设计的优化问题进行分析，以使建筑设计更加科学、经济、合理。
参考文献：
[1] 徐银夫. 关于高层建筑结构设计的研究[J] .科技经济市场, 2009，(2)
[2] 陈雷. 建筑工程结构设计总说明中的问题[J]. 工程建设与档案，2008，（4）
[3] 苏英. 高层建筑结构设计的几个问题[J]. 科技信息(学术研究),2007(16)
[4] 张炳华．土建结构优化设计[M]．上海：同济大学出版社，2008：34-36．
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。