小議建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法的研究與應(yīng)用

余承騁

中國建材國際工程集團有限公司 廣東深圳 518054

摘要：一個建筑要達(dá)到精美的效果，設(shè)計師需要把其美觀設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計緊密結(jié)合起來。實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化是一個復(fù)雜而系統(tǒng)的過程，通常被歸入綜合決策的范疇。在實際優(yōu)化環(huán)節(jié)，既要考慮實用性和安全性，又要考慮經(jīng)濟性，還應(yīng)考慮整體效果，總之，要平衡各方面的關(guān)系。本文對建筑結(jié)構(gòu)空間利用率的優(yōu)化進(jìn)行了重點探討，對建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的理念進(jìn)行了闡釋和延伸，希望能對類似工程建設(shè)提供一些借鑒和幫助。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計；優(yōu)化；方法；應(yīng)用

1.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的內(nèi)容及意義

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化主要體現(xiàn)在兩個方面，一是對建筑工程總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，二是對建筑工程局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。其中，建筑工程局部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計的對象主要包括以下幾點：1）基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案；2）屋蓋系統(tǒng)方案；3）圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案；4）結(jié)構(gòu)細(xì)部等。對上述對象進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計時，通常還會涉及選型、受力分析以及造價分析等諸多內(nèi)容。總之，對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化的過程中，不僅要嚴(yán)格依據(jù)設(shè)計規(guī)范執(zhí)行，還應(yīng)充分結(jié)合建筑工程的具體情況，最終提高建筑工程的綜合經(jīng)濟效益。

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的意義主要在于兩點，一是提高建筑工程的安全性及可靠性，二是降低建筑工程的總造價。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法應(yīng)用得當(dāng)?shù)那闆r下，能大幅降低建筑工程的總造價，最高可達(dá)30%。通過優(yōu)化方法的有效應(yīng)用，一方面能夠最大限度體現(xiàn)物質(zhì)的性能，另一方面能夠為規(guī)劃的實際執(zhí)行提供一系列有用的參考資料。

2.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法的應(yīng)用步驟

2.1建立結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化模型

對建筑整體結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化時，一般步驟如下：1）確定設(shè)計變量。所謂設(shè)計變量指的是可能會對建筑整體效果或者實用性產(chǎn)生影響的一系列參數(shù)，如目標(biāo)控制函數(shù)（以整體建筑結(jié)構(gòu)造價控制為代表），又或者約束控制參數(shù)（以整體建筑結(jié)構(gòu)的可靠度控制為代表）等。在實際選取過程中，應(yīng)對參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)木啠粚δ切┫嚓P(guān)性較小的參數(shù)進(jìn)行研究，如此一來，能夠大幅降低模型的計算強度，同時有效減少編程的工作量；2）建立目標(biāo)函數(shù)。目標(biāo)函數(shù)主要包括兩大方面，一是建筑的整體效果，二是建筑的整體實用性。尋找一組有效參量。這組參量既要滿足建筑使用功能，又要符合既定的結(jié)構(gòu)截面尺寸以及鋼筋截面積。從而保證求得的目標(biāo)函數(shù)值達(dá)到最優(yōu)；3）定義約束條件。通常，建筑結(jié)構(gòu)的約束條件涉及諸多內(nèi)容，既包括建筑的可靠度約束、強度約束，又包括應(yīng)力變形約束，還包括裂縫寬度約束等。在具體設(shè)計環(huán)節(jié)，應(yīng)保證加入約束條件的考量之后，實際結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足現(xiàn)行的設(shè)計規(guī)范，符合最優(yōu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。

2.2優(yōu)化設(shè)計方案的選擇

通常情況下，有多種建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方案可供選擇。進(jìn)行選擇時，常常將基于可靠度的方案列為重點考慮對象。對該種方案進(jìn)行實際計算時，既要面對關(guān)系錯綜復(fù)雜的多種變量，又要面對數(shù)量眾多的約束條件，再加上它們都屬于非線性問題，所以，在計算過程中，通常先要將其轉(zhuǎn)化為無約束條件的線性問題，然后求解。在上述一系列計算過程中，通常可以采用如下兩種優(yōu)化計算方法：1）拉普拉斯算子法；2）復(fù)合形法。在選取具體算法的過程中，一方面要考慮算法的精度，另一方面要考慮算法的計算速率，總之，要對算法進(jìn)行綜合而全面的考慮，從而選定一個最佳的算法。

2.3具體的程序設(shè)計

當(dāng)確定具體的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方案之后，便會進(jìn)入到具體的程序設(shè)計環(huán)節(jié)，即編制一個功能完備、運算速率良好、綜合效果優(yōu)異的計算程序。程序設(shè)計將會涉及諸多內(nèi)容，其中最為主要的包括兩大方面，一是工程指標(biāo)的選取，二是建筑的功能需要。由于編程涉及廣泛且內(nèi)容繁復(fù)，本文不對其進(jìn)行詳細(xì)論述[6]。

2.4結(jié)果分析

對計算結(jié)果進(jìn)行分析是一個十分關(guān)鍵的過程，關(guān)系到整個設(shè)計優(yōu)化的成與敗，所以，在分析的過程中應(yīng)保證考慮的全面性，主要包括以下幾個方面：1）建筑結(jié)構(gòu)的成本；2）建筑結(jié)構(gòu)的實用性；3）建筑結(jié)構(gòu)的整體空間效果。建筑結(jié)構(gòu)是一項復(fù)雜而系統(tǒng)的工程，再加上耗資較大，所以，在設(shè)計優(yōu)化的過程中，應(yīng)站在整體的角度進(jìn)行分析，無論是片面追求資金的節(jié)省，還是片面追求建筑實用性的增加都是不對的。總而言之，就是協(xié)調(diào)好技術(shù)和經(jīng)濟之間的關(guān)系，尋求二者之間的平衡，進(jìn)而展開合理的優(yōu)化[7]。

3.優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)在實踐中的應(yīng)用方法

在設(shè)計好優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計方案后，就可以將該理論方法應(yīng)用于實踐之中。結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化，是目前一個比較普遍的課題，要達(dá)到利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法在不改變適用性能的前提下達(dá)到降低工程造價的目的，將結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法應(yīng)用于實踐之中，這是我們建筑工程設(shè)計人員所追求的目標(biāo)。結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用于項目的整體設(shè)計、前期設(shè)計，抗震設(shè)計等設(shè)計的各分部環(huán)節(jié)，發(fā)揮著巨大的效益。在按照結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的方法及模型進(jìn)行實踐的過程中，下面就這幾個方面進(jìn)行詳細(xì)描述。

3.1參與結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的前期工作

因為前期方案的確定直接影響建筑的總投資，而現(xiàn)在存在的普遍問題就是前期方案階段結(jié)構(gòu)設(shè)計并不進(jìn)行參與，建筑師進(jìn)行建筑設(shè)計時大多并不考慮結(jié)構(gòu)的合理性以及它的可行性，但是建筑設(shè)計的結(jié)果卻直接對結(jié)構(gòu)設(shè)計造成影響，某些方案可能會增加結(jié)構(gòu)設(shè)計的難度，并使得建筑的總投資提高。如果在方案的初期，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計就能參與進(jìn)來，那么我們就能針對不同的建筑類別，選擇合理的結(jié)構(gòu)形式，合理的設(shè)計方案，獲得一個良好的開端。

3.2將概念設(shè)計和細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化

概念設(shè)計應(yīng)用于沒有具體數(shù)值量化的情況，例如地震設(shè)防烈度，因為它的不確定性，計算式難免與現(xiàn)實有較大的差異，在進(jìn)行設(shè)計的時候就要采用概念設(shè)計的方法，把數(shù)值作為輔助和參考的依據(jù)。設(shè)計過程中需要設(shè)計人員靈活的運用結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的方法，達(dá)到最佳的效果。

3.3優(yōu)化下部的地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計

地基基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化首先要選擇合適的方案，如果為樁基礎(chǔ)，那么要根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件選擇樁基類型，盡量節(jié)省造價。樁端持力層對灌注樁樁長的選擇影響很大，應(yīng)多進(jìn)行比較以確定最合適的方案。

3.4建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計

概念設(shè)計就是利用設(shè)計概念并以其為主線貫穿全部設(shè)計過程的設(shè)計方法，整個設(shè)計中包含著設(shè)計者的感性和理性思維。概念設(shè)計通過使建筑結(jié)構(gòu)在遭遇到水平地震力作用下不會破壞，或者將對結(jié)構(gòu)的破壞影響降到最低。因此對建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計就要采取措施減小地震帶來的影響，減小地震產(chǎn)生影響的重要手段是需要結(jié)構(gòu)剛度均勻和對稱，結(jié)構(gòu)主體有足夠的延性，能夠有效地防止結(jié)構(gòu)在地震作用下發(fā)生脆性破壞。同時多道設(shè)防思想又能使次要的構(gòu)件在地震情況下先被破壞，從而使一部分地震能量得到消耗，在抗震設(shè)防中進(jìn)行多道防線設(shè)計，能有效的抵抗地震力作用。

3.5提高材料的利用率。結(jié)構(gòu)的效能設(shè)計主要考慮充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能，有效的減少結(jié)構(gòu)材料的消耗，達(dá)到“少費多用”的目的。各種高強材料（高強度鋼筋、高強度混凝土等等）和各種輕型材料（如輕骨料混凝土、輕型隔墻、輕型墻板）的合理利用可以有效的減輕建筑結(jié)構(gòu)的自重，減小水平地震力的作用，減小基礎(chǔ)頂部荷載等等。

4.結(jié)語

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計不僅能夠提高建筑結(jié)構(gòu)安全度和穩(wěn)定性，同時能夠有效降低建筑工程建設(shè)成本，使建筑工程效益得到有效的提高。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是在滿足規(guī)范要求、保證結(jié)構(gòu)安全和建筑產(chǎn)品品質(zhì)的前提下，通過合理的結(jié)構(gòu)布置、科學(xué)的計算論證、適度的構(gòu)造措施，充分發(fā)揮材料性能。總而言之，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計在當(dāng)前競爭日益激烈的建筑設(shè)計市場成為大勢所趨。

參考文獻(xiàn)：

[1]北京市建筑設(shè)計院.建筑結(jié)構(gòu)專業(yè)技術(shù)措施IM」.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[2]杜明干.談結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的一些經(jīng)驗[J].[J].2009-05-20