房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的應(yīng)用

胡江

（江西省建筑設(shè)計(jì)研究總院）

房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的應(yīng)用

胡江

（江西省建筑設(shè)計(jì)研究總院）

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，加快了城市建設(shè)的步伐，而房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量，將直接影響整體建筑物的功能。所以，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員首先要注重理念的更新，不斷創(chuàng)新跟優(yōu)化出建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，主要以符合人們對居住、審美等等方面的要求。本文筆者結(jié)合多年工作經(jīng)驗(yàn)，主要針對房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法進(jìn)行了闡述，供同行參考。

房屋建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；優(yōu)化方法

引言

近年來，隨著人們生活水平的不斷提高，人們對居住的條件和環(huán)境都提出了新的要求。在建筑物整體設(shè)計(jì)過程中，是設(shè)計(jì)師進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和外形設(shè)計(jì)的結(jié)合。而房屋結(jié)構(gòu)策劃之中運(yùn)用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改善技術(shù)，不但使建筑物的美學(xué)價值得以實(shí)現(xiàn)、更提升了建筑物的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性，大大減少了建筑所需要的資金投入，有效的促進(jìn)了建筑物施工周邊的生態(tài)環(huán)境的和諧發(fā)展。所以，合理使用此種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，可提升房屋建筑的整體效益與功能。建筑開發(fā)商最終的目的在于：確保房屋使用壽命與性能，盡可能的減少建筑過程中所需要的資金的投入，有效的對原材料實(shí)施節(jié)約，最終達(dá)到獲取更大利益的目的。戶主的要求就是要一個房屋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、抗用、外觀漂亮以滿足自己的需求，綜合考慮業(yè)主的需求，這樣建設(shè)公司才會取得經(jīng)濟(jì)利益。

1　房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本理論

1.1基本概念

建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)就是研究工程在一定的限制下按仍按預(yù)定的目標(biāo)（如可塑性、剛性、耐久性、耐火性、造價最小、重量最輕等）找出的最好的設(shè)計(jì)。

1.2基本方法

主要有兩類方法：

1.2.1準(zhǔn)則法

房屋結(jié)構(gòu)在許多個獨(dú)立的荷載的作用下，使每一桿件最少在一個獨(dú)立的荷載系下使其應(yīng)力在容許值范圍內(nèi)，達(dá)到重量最輕的目標(biāo)。這就是滿應(yīng)力設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則。它是將各個桿截面的尺寸作為了設(shè)計(jì)的變量，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得出各個桿最大的內(nèi)力，然后用強(qiáng)度的條件建立一個滿應(yīng)力的約束方程，由此求出各設(shè)計(jì)的變量。實(shí)際優(yōu)化時，經(jīng)常是以比例滿應(yīng)力法為主。其它還有頻率、位移、能量約束和臨界力的準(zhǔn)則法。

1.2.2數(shù)學(xué)規(guī)劃法

主要有非線性規(guī)劃、線性規(guī)劃、幾何規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃等。數(shù)學(xué)規(guī)劃問題的常用提法有：

求設(shè)計(jì)變量xk（k=1，2，…，n）

使目標(biāo)函數(shù)W（x）極小

滿足約束hj（x）≤0（j=1，2，…，m）當(dāng)約束條件和目標(biāo)函數(shù)都是設(shè)計(jì)變量的線性函數(shù)時，稱為線性規(guī)劃；當(dāng)其中之一是設(shè)計(jì)變量的非線性函數(shù)時，則稱為非線性規(guī)劃。

單純形法是線性規(guī)劃問題的基本解法。在約束界面上該法由其中一個頂點(diǎn)搜索到另外一個頂點(diǎn)，直到找到最合理的解為止。

非線性的規(guī)劃一般分成兩種算法：①轉(zhuǎn)化法：先把非線性規(guī)劃由約束變?yōu)闊o約束狀態(tài)，之后才用無約束的優(yōu)化算法來求解，叫做序列無約束優(yōu)化算法，比如說罰函數(shù)法……②直接法：在優(yōu)化時直接與約束聯(lián)系。而在設(shè)計(jì)空間可行域中任意選一個點(diǎn)出發(fā)則是它的重點(diǎn)，尋找可行點(diǎn)合適步長和正確的方向，從上一個一直到下面一個點(diǎn)，步步檢查，逐步地走向其最優(yōu)點(diǎn)。而其遵守的原則為：在沒違背約束的情況下，使目標(biāo)函數(shù)得到改善。走法有最速下降法、不求梯度的復(fù)形法等。

受約束的非線性規(guī)劃還可以用將原本的非線性規(guī)劃分解成一系列較為簡單的受約束的數(shù)學(xué)規(guī)劃的方法求解。比如序列線性規(guī)劃、二次規(guī)劃、近似規(guī)劃法等。

2　房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

在對建筑物進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，設(shè)計(jì)師要對建筑物的用料，以及一些施工數(shù)據(jù)等因素進(jìn)行綜合考慮，要在保證建筑物質(zhì)量的前提下，進(jìn)行最小成本的投入，最環(huán)保的方式施工，建設(shè)出最為科學(xué)安全的房屋建筑。在進(jìn)行建筑物機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的時候，要對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，不僅要滿足客戶安全舒適的居住環(huán)境，還要保證企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益；另外還要不斷的進(jìn)行外形的美觀設(shè)計(jì)，不斷的完善優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在兩方面：①對整個建筑工程結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)；②對單個房屋建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不僅要對房屋的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，還要對房屋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及一些細(xì)節(jié)上的結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)前要考慮到成本造價，布局以及各個部分的結(jié)構(gòu)安排等因素。

對建筑物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化有很大的收效，不僅可以降低成本的投入，而且利用了有限的空間和充分的使用建筑材料。保證了建筑物的安全，使得各個單元科學(xué)合理的結(jié)合到一起，是現(xiàn)代建筑業(yè)最為經(jīng)濟(jì)、科學(xué)、安全、實(shí)效的技術(shù)手段。

3　房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)施

在對房屋建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)時，要科學(xué)合理的遵循結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)范。建筑領(lǐng)域?qū)τ诮Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，國家是有相應(yīng)的法律條文規(guī)范的，所以建筑業(yè)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師，要在法律的前提下進(jìn)行建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。國家對建筑行業(yè)的要求是非常高的，建筑物的質(zhì)量以及實(shí)效性是非常重要的，所以這就要求建筑行業(yè)設(shè)計(jì)師的專業(yè)水平過硬，要有相關(guān)的實(shí)踐設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)并且要有成功的設(shè)計(jì)案例。在對建筑物進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，要考慮全面，要保證設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)安全以及質(zhì)量過關(guān)。我國的法律現(xiàn)狀對于房屋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)覆蓋不夠全面，有大框的法律條文，但是對建筑工程覆蓋面小，對一些細(xì)節(jié)上的東西沒有相關(guān)的規(guī)定，有些條文規(guī)定，已經(jīng)不能符合現(xiàn)有的工程建筑，所以這樣使得很多人鉆法律的空子。雖然有些地方法律條文沒有硬性的規(guī)定，但是工程建筑行業(yè)要規(guī)定出自己的規(guī)范制度，提高對設(shè)計(jì)師的要求，提高設(shè)計(jì)師的綜合行業(yè)素質(zhì)。設(shè)計(jì)師本身要提高自己的法律意識，要對工程的質(zhì)量負(fù)責(zé)，在對建筑物進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前，要進(jìn)行多方面的勘測與調(diào)查，對房屋的相關(guān)資料和信息加以掌握，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)，再經(jīng)過與各個部門的溝通與審查，最后結(jié)合多方面的意見，慎重的篩選出相應(yīng)內(nèi)容，最后進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案。

建筑工程中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不是一個單獨(dú)的工作，是一個系統(tǒng)性的工作，這就需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，要與各個先關(guān)部門進(jìn)行協(xié)調(diào)與配合。建筑工程是由建筑施工，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工設(shè)備三大關(guān)鍵點(diǎn)組成的，缺一不可，所以無論是哪一個部門進(jìn)行工作時，都不是獨(dú)立的，都要做到與其他部門進(jìn)行溝通合作，只有良好的溝通與協(xié)作，才能使各個部門完美的結(jié)合到一起，把整個工程建設(shè)結(jié)合到一起，達(dá)到建設(shè)的完善。在工程建筑中，要有效的將建筑設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)合到一起，只有兩者進(jìn)行結(jié)合，才能在保證建筑物結(jié)構(gòu)美觀的基礎(chǔ)上，各個部分受力均勻，保證建筑物的安全質(zhì)量。兩者在設(shè)計(jì)上進(jìn)行溝通合作，還可以在最大程度上降低施工成本的投入，合理的利用有限的空間，合理的利用建筑材料。建筑設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)溝通合作，可以減少施工中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無法實(shí)踐的問題，提高施工的進(jìn)程，避免不必要的麻煩。現(xiàn)在很多設(shè)計(jì)師，不與各個部門合作，在設(shè)計(jì)時只顧自己設(shè)計(jì)的新穎與獨(dú)特，不考慮施工中的難度，并且現(xiàn)有的施工設(shè)備根本就完成不了設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)要求；還有一些設(shè)計(jì)師，不考慮安全性能，只考慮建筑結(jié)構(gòu)的美觀。各個專業(yè)與部門的合作可以在很大程度上減少這些事情的發(fā)生。

4　房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用

在對房屋進(jìn)行設(shè)計(jì)時，都是將房屋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)與建筑設(shè)計(jì)結(jié)合到一起的，建筑設(shè)計(jì)前，都是要先考慮房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的，都是從房屋的布局進(jìn)行的，然后根據(jù)不同結(jié)構(gòu)的受力進(jìn)行有針對性的荷載分析，算出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)出施工中對材料的要求。有些數(shù)據(jù)的分析，電腦是無法完成的，需要工作人員進(jìn)行反復(fù)的分析才能得出，所以在對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的時候，工作人員要根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析整理，并且積極與設(shè)計(jì)師溝通，對每一個結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，并且記錄在案，這樣可以作為以后設(shè)計(jì)以及突發(fā)事件的依據(jù)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化處理還可以滿足建筑物的抗震需要。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化已經(jīng)不單單只是提高經(jīng)濟(jì)效益和美化建筑了，在建筑的防震方面也起著很大的作用。大自然給人類帶來的突發(fā)事件是不可預(yù)料的，建筑物屹立在大地上，承受著各種各樣的環(huán)境干擾，但是房屋的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在這一點(diǎn)上保護(hù)建筑物的安全問題，即使受到不同的環(huán)境影響，建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以將建筑物受到的損壞降低到最小，最大程度上保護(hù)人們的安全與財(cái)產(chǎn)。很多事故地震的發(fā)生是預(yù)測不到的，所以在對房屋建筑的時候，都會采用防震的措施，而這防震的措施基本都表現(xiàn)在房屋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)上，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的材料選擇上，選擇一些高科技的抗震材料，提高建筑物的抗震能力。

5　結(jié)束語

總之，房屋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在生活中應(yīng)用的越來越多，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)不是一個單獨(dú)的工作，是需要各個部門進(jìn)行合作的，設(shè)計(jì)人員要積極與各個部門進(jìn)行合作，并參與到施工建設(shè)中，不斷的完善結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，讓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)際的施工共同進(jìn)步。房屋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響著整個房屋的質(zhì)量問題，所以設(shè)計(jì)人員要負(fù)起相應(yīng)的責(zé)任，遵循法律的規(guī)章制度，在保證安全的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出投資最小，最為環(huán)保、實(shí)際的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。在實(shí)際生活中，保障人們的人身與財(cái)產(chǎn)的安全，提供最優(yōu)質(zhì)的生活環(huán)境。

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2015-5-6