淺議建筑物結構設計優(yōu)化的方法

朱國偉

摘 要：文章通過對房屋結構優(yōu)化設計方法的介紹，幫助設計者改進設計方法，提高結構設計水平，從而能夠合理利用空間資源，完成安全可靠、美觀實用的建筑房屋結構設計方案。希望對相關工作提供借鑒。

關鍵詞：建筑結構設計；設計優(yōu)化；方法

引言

進入21世紀以來，隨著物質生活水平的不斷提高，人們的生活理念發(fā)生了巨大的變化。作為人們工作生活的場所，房屋建筑的結構設計也成為人們關心的話題。在現(xiàn)代消費觀念的影響下，房屋不再僅僅是供人居住辦公，遮風擋雨的場所，同時還被賦予了滿足人們審美觀念的新功能。當前，除了最基本使用功能外，建筑正在被開發(fā)出越來越多的新用途，同時也是人們實現(xiàn)審美追求，提高生活格調重要途徑。建筑設計師在設計房屋時，不僅要考慮房屋的使用功能，更要從美學角度考慮更多的內容。只有二者協(xié)調統(tǒng)一，完美結合，同時滿足使用者在使用功能和審美要求上的雙重要求，才能成為受人青睞的建筑佳品。房屋建筑的結構設計包含的內容非常廣泛，其根本目標是實現(xiàn)功能完善、質量可靠、符合人們審美情趣的設計方案。要達到這個目標，需要持之以恒的長期學習和實踐，需要汲取其它優(yōu)秀設計方案的菁華，取長補短，融會貫通，不斷優(yōu)化設計方案，充分利用空間資源，最大程度地滿足房屋使用者的實際需要。

1 建筑結構設計優(yōu)化的內涵

影響一座建筑物好壞的因素非常多。一般來講，人們對建筑物的評價來源于三個方面：外形、結構和質量。這些都和結構設計密切相關。房屋結構設計，不僅僅是整個建筑工程賴以實施的基本根據(jù)，更是一個建筑能否充分實現(xiàn)預定功能和目標的根本保障，是整個建筑工程的核心要素。優(yōu)秀的房屋結構設計方案，應當能夠在有效控制成本投入，降低施工難度的基礎上，充分利用城市中的空間資源和其它資源，大幅提升建筑物的實用功能和安全質量。要取得優(yōu)秀的設計方案，需要對既有設計不斷進行優(yōu)化改良，從而最大限度地實現(xiàn)使用者對房屋的功能要求、質量要求和審美需要。同時，優(yōu)化后的結構設計還能夠有效幫助建設者節(jié)約資金，降低建設成本。

2 實現(xiàn)建筑結構設計優(yōu)化的一般方法

單純從建筑角度來講，結構設計優(yōu)化主要分為房屋工程分部結構的優(yōu)化設計和總體結構的優(yōu)化設計兩種。一所房屋的設計建造，要根據(jù)具體情況，綜合考慮房屋建筑的人文要求、經(jīng)濟要求和周圍環(huán)境要求等。合理充分利用資源，實現(xiàn)各種要素的和諧共存，是建筑房屋結構設計優(yōu)化的基本理念。

2.1 建立結構優(yōu)化的模型

實現(xiàn)建筑結構設計優(yōu)化，首先需要建立一個數(shù)學模型，重現(xiàn)房屋的各項指標和影響因素間的復雜關系。可以按照以下幾個步驟建立模型：

2.1.1 合理選擇設計變量

設計變量通常優(yōu)先選擇對建筑結構影響大的參數(shù)，即和設計目標直接相關的那些內容，如損失的期望C2和結構的造價C1等，還有和限制條件相關的因素，如結構的可靠度PS等；為了減少設計量、計算量和編制程序的工作量，還可以把部分因素用預定參數(shù)來代表，這些參數(shù)通常具有影響細微、波動不明顯的特點，往往通過局部調整或結構本身就能滿足相關要求。

2.1.2 確定目標函數(shù)

出于建造成本的考慮，需要建立一組函數(shù)，通過這組函數(shù)可以準確描述預定條件中截面幾何尺寸、鋼筋的截面積和相應的失效概率之間的關系。

2.1.3 確定約束條件

房屋建筑安全可靠是房屋結構優(yōu)化設計必須滿足的基本條件，以此出發(fā)可以確定優(yōu)化設計的約束條件。裂縫寬度、結構強度、構件的大小、結構應力、結構體系規(guī)格、可塑程度、確定程度等都是常見的約束條件。設計者要充分比較分析目標約束條件和實際約束條件，確保每個目標約束條件都有的放矢，符合實際，從而為設計優(yōu)化提供根本保障。

2.2 設定計算方案

以提高安全性、耐久性和適用性為目標的建筑結構設計優(yōu)化，往往具有約束條件復雜、變量眾多、函數(shù)非線性的特點，為了方便分析計算，通常采用將有約束的優(yōu)化問題轉換成無約束的優(yōu)化問題的方法求解。拉氏乘子法、復合形法、Powell 法等都是常用的優(yōu)化計算方法。

2.3 程序設計

由于計算量巨大，計算過程復雜，為提高結果準確性和精度，通常利用程序來實現(xiàn)以提高安全性、耐久性和適用性為目標的房屋結構設計優(yōu)化的計算過程。編寫的綜合程序要完全符合優(yōu)化設計模型和計算方案，并具有功能完整、用途齊全、運轉高效等特點。

2.4 結果分析

結果分析是房屋結構設計優(yōu)化過程中非常重要的一步，它直接關系到優(yōu)化設計方案的最終選擇。程序運算的結果只是為房屋結構設計優(yōu)化提供參考依據(jù)和備選方案，并非最終結果。由于上述模型函數(shù)主要體現(xiàn)的經(jīng)濟成本上的優(yōu)化，在結果分析時，設計者需要把更多的因素納入思考范疇中，在詳細地比較分析基礎上，選擇出最佳的設計方案。前文已經(jīng)提到，現(xiàn)代社會的建筑，不僅要滿足實用功能，同時還需要滿足使用者的審美需求。造價成本和工程質量不再是優(yōu)化設計的唯二標準。設計者需要從安全性、耐久性、使用功能、經(jīng)濟效益、施工要求、美觀程度，以及和周圍環(huán)境的和諧統(tǒng)一等方面進行全方位多角度的考慮，要分析各種因素的影響，從使用者、建設方等多個角度考慮，綜合各方意見進行比較。任何考慮上的偏頗和疏漏都有可能造成建筑設計上的缺陷，從而影響建筑的正常使用。必須平衡使用各種資源，才能實現(xiàn)結構設計的最優(yōu)化。

3 結束語

房屋結構設計優(yōu)化，本質上是一次綜合所有影響的數(shù)據(jù)分析，對設計者的理論水平和實踐經(jīng)驗提出了非常高的要求。房屋結構設計所需要達到的目標，絕大多數(shù)情況下不是一個單一的指標，而是一組指標的組合。這些指標往往互相影響，既是統(tǒng)一的，又是矛盾的，各有側重點，又相輔相成。設計者應當綜合考慮房屋的各種性能，選擇最有助于實現(xiàn)房屋建筑綜合效益的設計方案。在保障房屋安全和使用質量的前提下，設計者要用于創(chuàng)新，大膽實踐，努力尋求更好的設計路線，應用現(xiàn)代化設計工具，更好地實現(xiàn)房屋結構設計的目標。

參考文獻

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