工程结构优化设计范文

导语：想要提升您的写作水平，创作出令人难忘的文章？我们精心为您整理的5篇工程结构优化设计范例，将为您的写作提供有力的支持和灵感！

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中图分类号：TU2 文献标识码： A

引言

最优化设计的初衷在于从所有可能的设计中寻找最佳的设计进而促进目标的实现，这个寻找最优方法的过程就是最优化设计。工程结构优化设计就是指将力学概念与优化技术加以结合，然后在设计要求的指导下，将参与工程计算的部分参数以变量的形式出现在方案的设计中，然后再通过数学计算方法完成能够实现既定目标而且行之有效的方案的搜索，实践经验显示，采用优化了的工程结构方案可以最大限度地实现施工周期的压缩和工程质量的提升，与原来的施工方案相比较，可以降低将近三成的施工造价。

一、现代环境中的工程解耦优化设计

1、多目标优化

多目标优化过程中所考虑的优化目标不是单一的。一般情况下各目标函数之间往往相互矛盾，比如要取得好的安全性，就要求结构的截面面积要大，而为了取得最少重量，又要求截面面积较小。因此不存在使所有目标都达到最优的“绝对最优解”，只能求得“满意解集”，由决策者最终选定某一个满意解作为最后定解。实际工程中，多目标优化一般用于工程系统决策，即在工程决策方面先采用多目标优化进行方案确定，

再优化各个分目标。不同的优化设计数学模型有不同的求解方法。主要有以下几种方法：一是约束法。在多个分目标中选择一个为主目标，对其余分日标给出希望值，进而转化为单目标优化问题求解。二是功效系数法。将各分目标的“坏”价值用统一的功效系数表达，而后采用几何平均构成评价函数，进而转化成单目标优化问题求解。三是评价函数法。采用线性加权、平方和加权等方法将分目标函数综合成一个总函数进而转化为单目标优化问题求解。四是目的规划法。希望值与真实值之间的差值称为约束偏差，以约束偏差和目标偏差的某种组合作为总函数进而转化为单目标优化问题求解。五是多属性效用函数法。实际多目标优化时往往得到的不是某一个最优解，而是最优解的一个集合，再在这个集合中选出需要的最优解。为此可应用效用理论建立决策者的效用函数（曲线），按此曲线从有限解集中选出最终的合适方案。

2、拓扑优化

相较于形状优化，拓扑优化的优势在于可以在施工的初始阶段找到最佳的施工布局的方案，实现工程施工过程中的经济效益的提升，而且由于设计简单方便，为众多设计者接受和认可，在拓扑优化中，拓扑变量主要有两种，分别是连续型变量和离散型变量。

2.1 离散变量拓扑优化。1964年，Dom等以结构节点、支座点及荷载作用点为节点集合，集合中所有节点之问采用杆件单元连接的基结构，并以内力为设计变量，以应力为约束函数，建立单工况线性规划优化设计模型。该法计算效率较高，但不能应用于多工况和有位移约束的优化设计问题上。Dobbs等以截面面积为设计变量，采用最速下降法（steepestdescentmethod，SDM）成功地解决了多工况应力约束下桁架结构的拓扑优化问题。Kirsch等提出了两阶段算法，第一阶段以杆件截面积和赘余内力为设计变量，不考虑位移约束和变形协调条件，将离散变量拓扑优化转化为线性规划优化设计；第二阶段考虑所有约束，在已有的拓扑结构上，将离散变量拓扑优化转化为非线性规划优化设计。Lipson等建议在多l况下以杆件内力为准则来判断应删除的杆件。

2.2 连续变量拓扑优化。连续变量拓扑优化设计是一种0―1离散变量的组合优化问题。其基本思想是将设计区域离散为有限网格，根据相应的准则，删除某些网格。其主要方法有：均匀化法、变密度法和变厚法。均匀化法以微结构的单胞尺寸为设计变量，以单胞尺寸的增减实现微结构的增删和复合。其特点是：数学理论推导严密，可获得宏观的弹性常数和局部应力应变，容易收敛到局部最优解，计算量大，求解的问题类型有限，容易引起棋盘效应。

3、形状优化

该种优化是以对工程的边界进行调整的方式实现工程造价的降低和施工性能的提升，主要用于合理的系统构件的边界形状的挖掘，也具有两种方式，即连续性形状优化和离散型形状优化。

连续型形状的边界通常用曲线或者曲面来描述，在采用数值法进行优化设计时可以应用发展相对成熟的约束线性法进行，比如GRG和SQP法，在利用解析法进行泛函分析时可以得到优化函数的变形，从而导出满足最优解要求的形状函数，当然了，以上两种计算方式的使用顺序并没有严格的限制。

离散型形状优化通常是以节点坐标在几何空间中的变化为基础的，而且对于尺寸和形状的优化要求比较高，其设计方法也有两种，一是把两种变量一起处理，再进行无量纲化，此种计算方法的优点是可以实现对两种变量的同时考虑，但缺点是工作量比较大；另一种方法是将尺寸和形状优化拆分为两个层次进行优化，并在优化的过程中对两个参数进行交替变化，这种计算方法的优点是得到较大规模的求解问题规模。缺点是对形状和尺寸的耦合能力较差。

二、探索新的工程结构优化设计的思路

通常而言，工程结构优化设计主要包括三种，分别是现代优化算法、数学算法和最优算法，其中最优算法对于问题的考虑相对来说比较具有局限性，因此需要采用不同的原则对不同性质的约束进行计算，得到的结果也不是最优的，数学算法由于其巨大的计算量而使得结果的收敛比较慢，因此诞生了现代优化算法，在科技的不断发展的过程中，随着人们对自然的认识的加强，已经逐渐的开始应用仿生学的原理进行新的更加优质的算法进行计算，比如神经网络算法和遗传算法。

神经网络算法主要是由大量的神经元通过某种规律继续拧连接从而形成新的仿生学的网络，利用的是相对比较简单的线性神经单元为基础实现工程结构的优化计算，在工程结构优化领域中，首先提出神经元的数学模型的是法国的心理学家W.S.McCuloch，进而引导人们进入了神经网络的研究，此种算法能够比较准确地反映出神经网络对于知识的摄入能力和表达能力。其优点在于具有较强的运算能力和适应能力，而且对于非线性的映射能力比较强，但是这种算法容易陷入对最优解的求解中，具有非常大的计算量。

遗传算法是对于自然淘汰和遗传选择的模拟，此算法的优势在于具有较强的解题能力，缺点是操作与计算的随机性比较大，在工程结构中，遗传算法主要应用于框架结构和网络结构等的优化，比如将遗传算法应用于地震灾害的预测中，可以建立有效而准确的桥梁结构的保护措施。

三、结束语

总的来说，工程结构的优化设计的发展经历了从尺寸优化到形状优化再到拓扑优化的不同的阶段，从目标方面来看，经历了从单目标到多目标的转化，实现了结构优化的确定性与不确定性的转变，脱离于传统的算法和准则，向着仿生学的方向迈进，进而促使工程结构优化向着更高的方向发展，不论是数学计算法还是最优准则法，或者是仿生学算法都存在着一定的局限性，在进行实际的工程操作的时候需要针对实际情况研究和确定最佳的算法，不过，在工程结构优化设计过程中，对于目标函数的寻找和约束函数的精度的控制仍然是结构优化发展的重要方向。

参考文献

[1]赵同彬，谭云亮，王虹，孙振武，肖亚勋.挡土墙库仑土压力的遗传算法求解分析[J].岩土力学，2012（04）.

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1.高层建筑混凝土结构

在我国城市建设中常用的建筑结构主要有钢混结构、组合结构、智能建筑、新型材料结构等几种，下面我就逐一进行分析。

1.1钢筋混凝土结构

钢筋混凝土结构式目前建筑工程中涉及最广的建筑形式，它有着刚度大、整体性好、耐久性强、维修简单、成本低廉的特点。我国目前的钢筋混凝土技术在不断发展，高强混凝土、纤维混凝土、轻型混凝土都在建筑工程中被广泛应用，并且施工水平已经达到了国际先进水平，这更加加大了钢筋混凝土结构的适用性，使其发展成为了房屋建筑工程的首选结构形式。

1.2组合结构

组合结构的诞生不仅是一场技术革命，更使整个建筑行业像前迈进了一大步，结合结构使建造超高层建筑的设想成为可能。组合结构不仅有传统钢筋混凝

土的所有优点，并且在材料使用上相对节省，这对提高施工进度，降低施工成本都起到不可替代的作用。组合混凝土在施工中使混凝土本身经过三轴受压的状态，使自身的承载能力得到提高，并且组合结构混凝土可以取代很多钢结构和混凝土结构的应用，这直接降低了建筑物的自重，为超高层建筑的设计提供了理论支持。

1.3新型结构

传统的高层建筑分为框剪结构、剪力墙结构、框架结构三种，而随着建筑结构学研究的不断深入，诞生了以筒体为结构的新型结构形式。筒体结构主要分为筒中筒体系、框筒体系、和多束筒体系。新型结构筒体与传统平面结构有很大的不同点，首先它的抗位移能力和承载力要大于传统结构，它将水平力看成固定在基础上的悬臂结构。所以这种结构形式在功能性强、应用范围广的建筑施工中多有使用。

1.4智能建筑

智能建筑是高科技的产物，它在施工技术、工程材料、工程检测方式上都与传统建筑有着很大的区别，但就目前发展来看，智能建筑是未来建筑发展的主体。智能建筑的几大优点集合在建筑结构、内部系统、适用范围等方面。它直接为使用者提供了一个安全、快捷、舒适的使用环境。

2.高层建筑结构设计的基本原则

建筑结构在设计中必须以实用、便于施工、安全可靠为设计点进行设计，通常情况下要满足以下几大原则：

2.1结构安全

建筑的结构必须满足在使用年限中可以承受的各种情况，一旦在使用过程中出现了不可抗拒力的破坏，建筑的结构必须保证稳定性，不至于直接倒塌。

2.2可施工性

不论任何设计，必须在设计的过程中将施工问题首先进行考虑，如果设计标准与实际施工背道而驰，在好的建筑设计业不可能转化为实体建筑，来为我们服务。

使用寿命。当建筑物投入使用后，建筑物的必须满足设计年限中的使用要求，不能再无外力扰动的情况下出现裂缝、变形等质量问题。

3.高层建筑混凝土结构设计易出现的问题

在高层建筑结构的设计中需要考虑的问题很多，尤其是高层建筑中的钢筋混凝土结构的设计。

3.1结构选型问题

在新执行的规范中对建筑的结构选型设计增加了很多限制性，首先限制了结构的规则性然后对建筑设计中出现的超高问题和抗震问题加以深化，对于高层建筑结构设计的规则性，在新出台的建筑规范章程的相关规定中，变动挺大，新的规范标准在结构设计方面增加了一系列的限制条件。比如，新的规范制度用强制

性的条文规定了“建筑物不应该采用严重不规则的建筑设计方案”。所以，在进行高层建筑结构设计时，相关人员应注意遵守新规范制度中的限制性条件，对于设计中的不符合规定问题根据实际情况及时的调整，避免为后期设计工作留下隐患。

3.2地基和基础设计中的问题

在柱下独立基础带梁板式的地下室底板设计中，往往会忽视建筑物沉降带来的附加应力的影响，而产生沉降变形以及共同受力，如果没有考虑其产生的附加应力，会使底板偏于不安全，还可能导致地下室底板承载能力不足而引起其开裂，在采用天然地基状况下，会带来更为显著的影响。

3.3结构分析计算的问题

在计算机使用非常广泛的今天，计算机带给了人们极大的便利，工作效率大大提高的同时，社会日常工作和生活对计算机的依赖程度越来越深。在建筑结构设计中，深化计算机的应用，合理地使用计算机，使建筑物更安全舒适、更美观经济是建筑设计人员任重而道远的责任。我们在设计中及与其它设计单位交往的过程中发现，虽然采用了CAD，但在结构施工图中出现了许多概念性的错误和计算错误，有些错误可能会导致严重的后果。在实际工程中，我们应该重视抗震概念设计和构造设计的问题，避免过分依赖计算机，这样才能设计出更经济，更安全舒适、更美观经济的建筑。

4.高层建筑混凝土结构优化设计的对策

在高层建筑中筒体结构的抗震能力最好。假设发生6。7级地震时，只要在设计中针对楼面钢梁或型钢混凝土梁与筒体交接处及筒体四角墙内设置结构柱，

就会有效缓解地震影响。如果当地震达到8-9度抗震时，我们在设计中要在钢混凝土梁与筒体交接处及简体墙内设置型钢柱。这些设计都能有效增加建筑的抗

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1优化钢结构之ANSYS软件应用原理

目前，国际学者在对小型水电工程之钢结构进行优化设计时，通常运用美国ANSYS公司研制之有限元分析软件进行数据分析、整理。该软件内含包括零阶方法及一阶方法在内的两种优化设计模式，能够满足我国对钢结构进行优化设计的绝大部分需求。这两种优化设计模式旨在促进不同目标的达成，对于零阶方法而言，其主要用于测量目标函数是否达到足以适应广谱色合计变量的状态及其完善度的高低，在小型水电工程中可以普遍适用；而对一阶方法而言，其主要用于检测目标函数是否能对存在细微差异之不同设计变量作出灵敏的反应，多用于计算精密、准确的数据以供优化设计分析。ANSYS有限元分析软件遵循“系列分析—数据评估—优化修正”三个主体循环流程，也即在对输入软件之工程初步设计进行系统分析，再参照工程设计拟达之功效、目的的指标对该初步设计进行评估，最后根据评估结果展现出的缺漏、不足之处进行有针对性的、有助于工程达到安全、高效之优化修正；并借助软件反复循环的设计轨道，通过数据的反复检验、配试不断完善初步设计、整体化提升其性能，直到所有数据显示达标也即设计臻于完美状态。具体操作中，分析文件作为系统与用户最直接的对接窗口，一旦用户输入其初始设计，文件便将该设计编码成命令流进入到ANSYS的系统分析流程，经历前后两次处理及求解这三个环节；此外，系统通过预先设定之参数化模型对目标、状态及设计这三个变量进行比照分析。ANSYS软件经分析文件运作后，将自动反馈生成一个优化循环文件，该文件已经生成便进入到计算机系统的循环优化处理环节中。其具体的优化流程原理如图1所示[1]。

2优化钢结构之ANSYS软件应用实例

2.1问题的提出

在小型水电工程中，作为工程“心脏”之泵与泵站必不可少，广泛用于农业灌溉供水、排水系统以及城乡日常生产、生活供水等多个领域，为工程提供源源不断的动力支持。而作为泵站建设中的最重要之部分，泵房容纳配备了小型水电工程中包括主机、辅机部分及相关电气设备在内的重要配件，其泵房设计质量的高低直接决定了工程是否能够在保障安全、可靠运行的前提下，最大限度地降低对机电设备的不必要损耗，延长其使用年限，达到最佳经济效益的工程目标。因此，工程设计者对泵房的承重体系，也即钢结构进行科学、合理的优化设计尤为必要。常见的泵房主体设计架构包括吊车梁、房屋面板、基础承重梁、屋架、屋梁等几部分，优良的泵房构架设计能通过使得泵房的各个部分分工协作，实现了承重压力的均衡、合理分配，防止压力集中在某一部位而导致断裂、崩塌现象的出现。而那种为了赶工期而不惜一切代价、忽视泵房主体构架进行优化设计之必要性的小型水电工程在设计之初便存在严重的安全隐患，不仅极易酿成人身伤亡事故、其实际上还造成了工程无法投入正常使用、资源浪费的低效益局面，真可谓是“得不偿失”。目前，我国的城镇、农村在建设小型水电工程时普遍采用如上图之稳定性较强的三角型作为屋架，该设计方案简单便利、施工难度也相对较低。在三角屋架的设计中，如何对屋盖承受的包括恒定之屋盖自身结构重量以及工程中不定之设备、人员及风力重量带来的压力进行合理配置、优化设计是设计的难点所在。对钢结构屋架进行横向截面模拟可得出一矩形，图2为经对称性考量而简化之半边屋架构造之平面视图[2]。为了便利计算，在实验中尽量缩减设计变量的数值，将矩形截面的宽和高分别设为1：2。从优化设计的视角来看，AB、AC、AD、BC、BD、CD杆是可以进行数据模型优化的变量，其初始值一律设为80毫米，在进入ANSYS软件后系统自调幅度为20毫米到180毫米之间。在整个优化设计的流程中，上述可进行数据模型优化之变量也即钢结构屋架的各个组成部位的可承受最大拉力值、压强值以及挠度是优化设计中的状态变量。系统根据安全性、可靠性评估得出各组成部分的可承受之最大拉力值必须控制在191MPa范围内，可承受之压强极限必须控制在187.39MPa范围内，挠度的极限值不得超出13毫米。

2.2问题的分析

ANSYS软件对初始输入设值与最终得出之优化设计数据的对比图如表1所示。根据数据显示，研究者可以直接得出经过优化设计，工程原设定之初始数据的合理性、可靠性大大增强，且优化设计所得出的钢结构用料仅为原设计拟投入用料的百分之六十。为了更加直观地体现出优化设计前后各变量的具体变化，可绘制出其优化设计中随着迭代次数的递增而各部分杆干的数值渐趋合理的曲线变化图如下。由图可知，经优化设计修正后之钢结构屋架的各个杆干钢材用量最省，比原先设计拟投入使用的钢料相比实现了162.12kg的下降，在达到节约成本的经济效益的同时还最大限度地满足了可承受之压强、拉力值、挠度介于一个安全区间，也即保障了工程建设的可靠性和安全性，因而在我国城镇供水、农业灌溉供水、排水系统中具有可推广价值。

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摘要：建筑结构优化设计对于项目的成本控制起着重要的作用。在建筑结构优化设计中引入价值工程理论，通过功能成本分析，将技术问题与经济问题紧密结合，以最低的成本费用，可靠地实现产品的必要功能，从而提高产品的价值，弥补设计工作的不足。本文通过价值工程在建筑结构优化设计中的使用，说明价值工程在结构优化设计中的意义，确保有效优选。

关键词 ： 建筑结构；优化设计；价值工程

中图分类号：TU2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）24-0130-02

作者简介：罗利波（1978-），男，湖南长沙人，高级工程师，研究方向为结构设计及加固。

1 建筑结构优化设计概述

1.1 传统的建筑结构设计方法

传统的建筑结构设计方法，过程大致是根据经验给出一个设计方案和做法，用力学方法进行结构分析，检验结构及构件是否满足规范规定的强度、刚度、稳定性、使用等方面的要求，或通过对少数几个方案进行比较而选出可用方案。通常的步骤是假设、分析、校核、重新设计。

1.2 建筑结构优化设计方法

我国建筑结构设计优化设计理论研究始于六十年代，1973年钱令希教授发表《结构优化设计的近展》，将数学规划法和准则法结合在一起，假定结构构件处于满应力状态，分别对构件进行优化。由于结构优化设计的重要性，很多学者对结构优化设计做出大量的研究，使结构优化设计理论研究不断发展。1982年，钱令希教授在《我国结构优化设计的现况》中详细总结了这十年的结构优化设计研究和应用方面的成果，为我国进行优化设计研究指明方向。2001年，大连召开第四届WCSMO会议，30多个国际200多位学者参加了会议，会议内容包括结构与多学科问题的灵敏度计算、分析计算、优化设计及其工程应用等。

目前，建筑结构优化设计主要指结构综合与优选，过程大致是假设、分析、修改设计、最优设计，这种修改设计是在满足各种规范或特定要求的条件下，通过优化方法，从管理、技术、经济各方面综合考虑，采用结构优化程序、应用优化理论方法，找出最优级的方案（材料最省、造价最低、或某些指标最佳的方案），以达到最优目标。

1.3 大师对建筑结构优化设计的看法

中国工程院院士江欢成：“我国优化设计工作方兴未艾，大有可为。它符合可持续发展和科教兴国两大战略，它是我国建设方针的体现，是科学发展观在建筑行业中的落实。优化设计工作，私企、民企对此态度积极，国企相对不够重视。建议政府给予支持”。

中国工程院院士程耿东：“在建筑领域应用优化设计，不仅可行而且十分符合节约能源，保护环境的可持续发展观。结构优化设计作为一种基于计算机的快速自动设计过程，可以在满足规范等约束条件下得到优化的设计方案，降低成本造价，提高结构性能。增大使用空间，缩短施工工期，是设计者追求的终极目标，在建筑领域应用和推广结构优化设计更有着不同寻常的意义，对设计单位、开发商、百姓都是好消息，它是惠及百姓的环保设计理念，具有前瞻性，会带来多赢”。

2 运用价值工程优化建筑结构设计

价值工程，是一门技术与经济相结合的现代管理科学，是通过对产品的功能与费用系统分析，使之以最低的寿命周期成本，可靠地实现产品的必要功能的管理方法。运用这种方法，通过功能细化，去掉多余的功能，对功能实施重点控制，目的是以研究对象的最低寿命周期成本可靠地实现使用者所需功能，以获取建设项目经济效益、社会效益以及环境效益的最佳结合。

价值工程以功能分析为核心，着眼于建筑产品的寿命周期成本。建设费用、使用费用与功能水平的变化规律决定了寿命周期成本（图1），随着功能水平提高，建筑产品的使用费用降低，建设费用却在增高，反之，使用费用增高，建设费用降低；建设费用C1的曲线和使用费用C2的曲线的交点所对应的最低寿命周期成本Cmin才是最低的，最低寿命周期成本Cmin所对应的功能水平F0是从费用方面考虑的最为适宜的功能水平。

价值工程的目标表现为产品价值的提高，是对象所具有的功能与获得该功能的费用之比，可用公式表示为：价值（V）=功能（F）/成本（C）。

提高产品价值的途径：

某住宅小区在基础设计前对方案对比优化设计。该工程场地稳定，无不良地质作用。场地类型为软弱场地土，建筑场地类别属II类，拟建场地可不考虑地震液化的影响。场地自上而下各地层为：

①素填土①：平均层厚10.78m，结构松散，未完成自重固结，局部有建筑垃圾分布，承载力低。

②粉质粘土②：分布连续，埋深大，层厚0.90m~5.00m，可塑~硬塑，稍湿，不宜选择该层作为拟建多层建筑物基础持力层，fa=240kPa。

③强风化板岩③：厚度较大，岩心呈块状，遇水易软化，失水易干裂，fa=340kPa，qpa=2100kPa（人工挖孔灌注桩），qpa=2500kPa（沉管夯扩灌注桩）。地下水：主要类型为强风化板岩③基岩裂隙水，微承压性，该段地下水水量较少。在勘察期间，稳定地下水位埋深为5.32~13.20m，高程为52.77m~59.36m。拟建场地有一层地下室。地下水在直接临水或强透水层中对混凝土具有中等腐蚀性，在弱透水层中不具腐蚀性；对钢结构具弱腐蚀性。

可选桩型及优缺点：

①沉管夯扩灌注桩，优点：在桩端处夯出扩大头，单桩承载力较高；桩身质量高；施工机械轻便；施工速度快、工期短、造价低；无泥浆排放。缺点：遇中间硬夹层，桩管很难沉入；遇承压水层，成桩困难；振动较大，噪声较高；属挤土桩，设桩时对周边建筑物和地下管线产生挤土效应；扩大头形状很难保证与确定。

②预应力管桩，优点：单桩承载力高；单桩承载力造价便宜；运输吊装方便；施工快、工效快，工期短。缺点：噪音大，挤土量大，会造成一定的环境污染和影响；打桩时送桩深度受限制，在深基坑开挖后截去余桩较多；在“上软下硬、软硬突变”的地质条件下，不宜采用锤击法施工；不适合桩端持力层为遇水易软化的风化岩层。

③长螺旋钻孔灌注桩，优点：不受地下水位的限制，穿透力强，施工过程无噪音，振动小、无排浆、无塌孔，成桩效率高。缺点：桩身强度不足；桩底不能入岩，单桩承载力低。

④人工挖孔桩，优点：单桩承载力高；可以极大降低生产成本；适用于大型机械无法作业的山区；生产条件要求低，可多孔同时作业。缺点：机械化低，施工进度慢；成孔质量不易控制；现场施工不易控制。人工挖孔桩技术适合直径超过800mm并且地下水较少或无水的土质，不适合地下水位高、有流沙、大水量冲击区域、含水量多的淤泥、淤泥质土层等。

⑤旋挖桩，优点：钻进能力强；不易产生泥皮，有利于增加桩的摩阻力，提高桩的质量；振动与噪音较低；成孔速度快，尤其在砂质土内成孔；机械设备较简单。缺点：护壁相对较差，容易缩径、塌孔；设备价格昂贵，设备维修费用高、时间长，工成本与其他成孔方式相对较高，卵砂石层中钻进存在成孔困难。

以上5种方案，各有优缺点。利用价值工程理论，①、④两种方案更具经济性，满足功能不变化同时降低造价，以此来提高产品价值。本工程多为墙下线荷载及柱下集中荷载，其墙柱荷载为5000kN~8000kN，2600kN~5600kN（纯地下室的框架柱），依据价值工程理论综合比较采用人工挖孔桩基础，以强风化板岩③为持力层，该持力层的桩的端阻力特征值为qpa=2100kPa，桩端进入持力层的深度大于等于≥1.0m，相邻桩端底标高应按规范进行控制，平均桩径为0.9~1.5不等（主楼部分），0.9~1.0不等（纯地下室部分）；扩底直径分别为1.3~2.4m（主楼部分），1.3~1.6m（纯地下室）。施工完成后经济效果良好。

3 结语

价值工程着重产品功能的分析，以最低的成本费用，可靠地实现产品的必要功能，提高产品价值，而这可以弥补结构设计优化的不足。所以，价值工程在结构设计优化中的运用，能够很好地解决工程成本的控制，优选出最佳的设计方案。价值工程存在于项目进行的方方面面，设计、施工以及管理等等，不能只靠个别人员、部门，而要通过有组织的活动，发挥集体智慧，经过多个部门的配合，才能收到良好的效果，达到项目的利益最大化。

参考文献：

[1]钱令希.我国结构优化设计的现况[J].大连工学院学报，1982（03）:1-5.

[2]张炳华，侯昶.土建结构优化设计[M].上海:同济大学出版社，1998.

[3]蔡新，郭兴文，张旭明.工程结构优化设计[M].北京:中国水利水电出版社，2003.

[4]李芳，凌道盛.工程结构优化设计的现况[J].工程设计学报，2002（12）:229-235.

[5]江欢成.优化设计的探索和实践[J].建筑结构，2006（06）:1-24.

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Abstract: the engineering for a high-rise residential houses, of which the ground and layer, the standard 1 layer structure unit (see figure 1, 3 m tall; 9 layer has a jump layer for 10 layer, local outstanding roofing part is the elevator computer room. The paper, in combination with the characteristics of residential building structure, the optimization design for structure, for peer designers.

Keywords: small high-rise residential houses; Structure characteristics; Optimization design; explore

中图分类号：TU241.8文献标识码：A文章编号：

1 工程概况

该工程建筑总面积为4337.18m2 ,建筑总高27.600m，工程建筑结构的安全等级为二级,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0.2g ,设计地震分组为第一组,地面粗糙度为C 类,基本风压值取值0.35kN/ m2 ,场地土类别为Ⅱ类。

图1 标准1层结构单元图

2 结构方案布置

原结构方案采用一般的剪力墙结构,这种结构形式对于房屋高度不太大的小高层建筑来说,这种结构会造成刚度过大,重量增加,导致地震反应过强,使得上部结构和基础造价提高。所以,为了有效提高经济指标,经多方案论证,决定采用短肢剪力墙结构体系。在本住宅结构平面布置中,尽量使结构平面形状和刚度均匀对称。短肢剪力墙双向布置,尽量拉通、对直。竖向布置中,力求规划均匀,避免有过大的外挑、内收,以及楼层刚度沿竖向突变,使整个房屋的抗侧刚度中心靠近水平荷载合力的作用线,以免房屋发生扭转。根据建筑的平面布置,在房间、楼梯间、电梯间的四角,采用Z 形、L 形、T 形或异形的墙肢。在设计过程中还应注意同周期的关系,使结构的第一自振周期避开场地土的卓越周期,以免地基与结构形成共振或类共振,既保证结构在风和地震荷载作用下的变形控制在规范允许的范围内,又要保证建筑物有相对合理的自振周期,做到结构设计经济、合理且实用。

本方案根据上述建议经过多次调试,得到了几种结构方案,结构平面布置见图2。剪力墙截面厚度同相邻砌体填充墙厚度均为100mm。剪力墙、梁混凝土强度等级为C30。板的混凝土强度等级均为C25。主要连梁的尺寸大都为200mm×400mm。标准层楼板厚度为120mm ,顶层楼板厚度为150mm。有别于肢长肢厚比不大于4.0的异形柱,短肢剪力墙的肢长肢厚比按规范要a-方案1；b-方案2；c-方案3；d-方案4

图2 结构平面布置

求控制在5～8范围内,一般剪力墙的肢长肢厚比均大于8。值得注意的是,对肢长肢厚比为4～5范围内的墙肢,目前规范尚无明确条文规定其构件类型,故设计时建议不要采用。由于原方案的剪力墙过多,使底部剪力过大,使结构很不经济,同时布置了少量钢筋混凝土柱子,使结构不是很合理。故方案1在原方案的基础上去掉了构造柱并减少了少量的剪力墙(见图2a)。在方案1 基础上适当的减少一些剪力墙,从而使方案更经济,在调试过程中由于F 轴剪力墙较少,从而使电梯间X 方向的剪力墙承受过大的剪力造成超筋, 故把电梯间X 方向的剪力墙开洞口, 使结构X 向的刚度减少。(见图2b)方案3是在方案2的基础上改善了Y方向的刚度,使两个方向的刚度相接近,使结构更合理且均匀对称(见图2c)。

在方案3的基础上把Y方向的一些T型剪力墙变成一字型,虽然在多高层住宅设计中剪力墙结构应尽量避免一字型,但由于该结构的实际情况,所以采用了部分一字型(见图2d) 。

3 上部结构抗震计算结果分析

3.1 计算结果分析

从构件力学特性上来说,短肢剪力墙的肢长与肢厚比≥5.0,更接近于剪力墙,故计算时将短肢剪力墙作为剪力墙而不是柱考虑应更合理。因此,结构整体计算采用的是在每个节点有六个自由度的壳元基础上凝聚而成的墙元模拟剪力墙墙元不仅具有平面内刚度也具有平面外刚度,可以较好地模拟工程中剪力墙的真实受力状态,计算结果较精确;同时,对楼板SATWE 可以考虑其弹性变形。虽然主楼结构平面较规则,立面也无刚度突变现象,但由于刚度较大的电梯井处筒体有点偏置,会产生扭转的影响,为了计算准确,地震作用计算考虑了结构的扭转耦联和5 %偶然偏心的影响,取了27 个振型计算。

1) 自振周期的控制

考虑扭转耦联时的自振周期(计算时自振周期折减系数取0.8) 如表1(只列了前6个) 所示。从表1 可得,方案4 结构扭转为主的第一自振周期T3=0.9959s,平动为主的第一自振周期T1 =1.1656s,T3/T1=0.854

2) 结构位移的控制

最大层间位移角(应≤1/ 1 000) 、最大水平位移与层平均位移的比值( 不宜大于1.2 , 不应大于1.5)及最大层间位移与平均层间位移的比值(不宜大于1.2 ,不应大于1.5)见表2 。从中可以看出,结构在风荷载和地震作用下的位移均能很好地满足规范限值。

3) 剪重比控制

剪重比是反映结构承受地震作用大小的指标之一,地震力计算不能偏大,但也不能太小。因为短肢剪力墙本身抵抗地震的能力较差,如果短肢剪力墙分配的地震力太大,则很有可能不满足要求。本工程X方向的最小剪重比为4.50% , Y方向的最小剪重比为4.62 % ,根据“抗震规范”(5.2.5)条要求的X、Y向楼层最小剪重比均为3.20%,所以各层均满足要求。

4) 轴压比是体现墙肢抵抗重力荷载代表值作用下的能力“规范”对短肢剪力墙(尤其一字墙肢)要求更高一些。上述工程出现的短肢剪力墙轴压比在0.20～0.45之间,轴压比小于规范规定值。

表1结构自振周期

表2结构位移

表3结构轴压比

3.2 结构经济分析

为了与工程实际情况相符,假设混凝土的成本与混凝土的体积成正比,钢筋的成本与钢筋的体积成正比。在总造价上,暂不考虑模板及楼板等工程的造价影响。暂定单位材料综合价：混凝土单价为460元/m3 ,钢筋5500 元/T，由表4 可知, 方案4 比原方案在造价上要节约19 %，节约了成本，使材料得到了充分的发挥。