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

喬玉善

【摘要】建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠確保建筑的結(jié)構(gòu)安全及穩(wěn)定，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不僅能滿足基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的功能，還能更好的體現(xiàn)建筑物的經(jīng)濟(jì)效益。基于此，筆者重點(diǎn)論述了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用，以期作為參考。

【關(guān)鍵詞】建筑結(jié)構(gòu)；房屋結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；應(yīng)用

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們生活水平不斷提高，人們對(duì)于居住環(huán)境的要求也越來越高。在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)的時(shí)候，不僅要求建筑結(jié)構(gòu)能夠滿足安全及穩(wěn)定的性能，還要滿足經(jīng)濟(jì)、實(shí)用和美觀的要求，因此就需要對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)。房屋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)首先應(yīng)考慮到結(jié)構(gòu)的實(shí)用性能，確保房屋的各個(gè)方位能夠滿足人們的基本生活需求；其次在滿足了人們的基本生活需求之后，應(yīng)該綜合考慮安全、經(jīng)濟(jì)和美觀等問題，確保用最少的投資實(shí)現(xiàn)最大的效用。

一、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化概述

（一）建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的基本理論

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，指的是在設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)時(shí)，要改變?cè)O(shè)計(jì)理念，應(yīng)用科學(xué)、先進(jìn)的設(shè)計(jì)方案篩選方式，選擇出在各方面都能達(dá)到最佳效果的設(shè)計(jì)方法。建筑物內(nèi)部的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，要將建筑物的各個(gè)部分完美組合在一起，使建筑物發(fā)揮最佳的功能，并不是一件容易的事情。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，具體包括建筑物中各個(gè)部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，以及建筑物整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。在這兩個(gè)部分中，建筑物整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化顯得更為重要，因?yàn)檎w是各個(gè)部分的綜合，在完善房屋功能方面發(fā)揮著更大的作用。具體來說，建筑物整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化包括房屋頂部設(shè)計(jì)的優(yōu)化、房屋外圍設(shè)計(jì)的優(yōu)化，以及房屋細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。在這三個(gè)大部分中，還可以細(xì)分出型號(hào)選擇、布局設(shè)置、受力研究、價(jià)格衡量等較小的設(shè)計(jì)項(xiàng)目。在實(shí)際的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者還要緊密結(jié)合建筑工程的實(shí)際情況，努力實(shí)現(xiàn)房屋建造的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。

（二）建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的重要性

在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)建筑物的美學(xué)價(jià)值與實(shí)際使用價(jià)值，還能夠節(jié)約建筑成本、保護(hù)建筑物施工現(xiàn)場(chǎng)附近的生態(tài)環(huán)境。因此，恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)房屋建筑的綜合效益。與舊式的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式相比，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案可以使房屋建造的成本降低30%左右。采用優(yōu)化的設(shè)計(jì)技巧，可以合理配置各種資源，充分利用建筑原料，并協(xié)調(diào)好房屋內(nèi)部各個(gè)獨(dú)立的單元，使這些獨(dú)立的部分互相配合，共同發(fā)揮作用；采用優(yōu)化的設(shè)計(jì)技巧，可以在創(chuàng)新設(shè)計(jì)方式的同時(shí)，確保建筑物的安全性能達(dá)到既定標(biāo)準(zhǔn)，保護(hù)人民的生命健康和財(cái)產(chǎn)安全；采用優(yōu)化的設(shè)計(jì)技巧，還可以幫助建筑物結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)者認(rèn)真規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)方案，選擇最科學(xué)、最合理的設(shè)計(jì)方式，實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)。

二、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的步驟

（一）建立結(jié)構(gòu)優(yōu)化的模型

第一，合理選擇設(shè)計(jì)變量 通常在對(duì)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行選擇時(shí)，我們把對(duì)建筑結(jié)構(gòu)影響的主要參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量。如目標(biāo)控制的相關(guān)參數(shù)（損失的期望C2和結(jié)構(gòu)的造價(jià)C1）和約束控制相關(guān)參數(shù)（結(jié)構(gòu)的可靠度PS等）；然而還有一些影響不是太大，其變化范圍也不是很大或者由局部性以及結(jié)構(gòu)的相關(guān)要求就能夠滿足相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求的一些參數(shù)，我們可以用預(yù)定參數(shù)來表示，這樣能夠使得我們的設(shè)計(jì)量、計(jì)算量以及編制程序的工作量均大大減小。

第二，確定目標(biāo)函數(shù) 我們還必須尋找一組能夠滿足相關(guān)的預(yù)定條件的截面相應(yīng)的幾何尺寸、鋼筋的截面積以及相應(yīng)的失效的概率的函數(shù)，使得工程造價(jià)最少。

第三，確定約束條件 對(duì)于房屋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化來說，必須在確保結(jié)構(gòu)可靠度的條件下，來對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)相關(guān)的約束條件進(jìn)行相應(yīng)的確定。設(shè)計(jì)優(yōu)化的約束條件主要包括結(jié)構(gòu)強(qiáng)度約束、尺寸約束、構(gòu)件單元約束、應(yīng)力約束、裂縫寬度約束、結(jié)構(gòu)體系約束、從可靠指標(biāo)約束到確定性約束條件以及從正常使用極限狀態(tài)下的彈性約束到最終極限狀態(tài)的彈塑性約束等約束條件。我們必須對(duì)目標(biāo)約束條件與實(shí)際的約束條件進(jìn)行相應(yīng)的比較與分析，再確保每個(gè)約束條件都必須滿足相關(guān)要求，以實(shí)現(xiàn)最佳的設(shè)計(jì)。

（二）對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算方案進(jìn)行設(shè)定

根據(jù)可靠度進(jìn)行的房屋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有多約束且非線性的優(yōu)化問題以及復(fù)雜的多變量，在進(jìn)行相應(yīng)的分析計(jì)算中，一般把有約束的優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換成無約束優(yōu)化問題的求解。常用的優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算方法有拉氏乘子法、復(fù)合形法、Powell法等。

（三）進(jìn)行程序的相關(guān)設(shè)計(jì)

根據(jù)可靠度進(jìn)行的房屋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本模型以及所使用的優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算方法，可以編寫具有運(yùn)算速度快以及功能齊全的綜合應(yīng)用程序。

（四）結(jié)果分析

這一步驟在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化中尤其重要，合理的選擇設(shè)計(jì)方案，不僅能夠確保結(jié)構(gòu)的美觀、安全、合理以及實(shí)用，還影響著資金的投入。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化中只強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)上的節(jié)約，而忽略技術(shù)上的相關(guān)要求，是不正確的；同樣只考慮技術(shù)上的要求，而不考慮經(jīng)濟(jì)的要求，也是不合理的。我們必須對(duì)兩者進(jìn)行合理的配置，才能達(dá)到相應(yīng)要求。

三、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

（一）局部?jī)?yōu)化與整體優(yōu)化

復(fù)雜性與層次性是任何一個(gè)項(xiàng)目建筑設(shè)計(jì)都具備的兩個(gè)特點(diǎn)。從復(fù)雜性方面來看，其主要包括零部件的選取、建筑原材料的選取以及結(jié)構(gòu)類型的選取等內(nèi)容。從層次性方面來看，其主要包括建筑的結(jié)構(gòu)體系、設(shè)計(jì)體系以及安裝設(shè)計(jì)體系等，而在每一個(gè)體系之內(nèi)又包括了很多個(gè)下屬體系。在設(shè)計(jì)房屋建筑的時(shí)候，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該優(yōu)化各個(gè)下屬的系統(tǒng)，沖破各個(gè)布局間的橫向關(guān)聯(lián)，對(duì)工程進(jìn)行疊加。因此，在設(shè)計(jì)任何建筑結(jié)構(gòu)的時(shí)候，優(yōu)化的著眼點(diǎn)都應(yīng)該是整體而非局部。只有這樣，才能達(dá)到真正設(shè)計(jì)優(yōu)化的目的。

（二）優(yōu)化上部結(jié)構(gòu)

在一般的高層建筑中，其結(jié)構(gòu)體系主要是采用框架、剪力墻、筒體及框架—剪力墻、框架—筒體、筒中筒等結(jié)構(gòu)體系。例如，小高層、中高層剪力墻住宅結(jié)構(gòu)剪力墻的優(yōu)化空間較大。剪力墻的布置，根據(jù)建筑功能要求和內(nèi)部隔墻的分布，并按照“均勻、分散、對(duì)稱、周邊”的原則，以使結(jié)構(gòu)整體有較好的抗側(cè)移和抗扭轉(zhuǎn)能力。合理調(diào)整結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面，使抗震結(jié)構(gòu)體系剛度和承載力沿豎向變化均勻，且受力明確，以提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。在滿足規(guī)范及計(jì)算的前提下盡量減少剪力墻的數(shù)量，限制墻肢長(zhǎng)度，控制連梁的剛度，平面能布置成大空間的盡量布置成大空間，墻體的厚度滿足構(gòu)造要求和軸壓比的要求即可。盡量少用短肢剪力墻，限制一字墻。

（三）協(xié)調(diào)優(yōu)化結(jié)構(gòu)與建筑

對(duì)房屋結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)該盡可能地對(duì)建筑的結(jié)構(gòu)與整體平面的配合緊密予以有效保證，使得結(jié)構(gòu)合理、造型美觀的效果可以有效的體現(xiàn)出來。對(duì)建筑墻與柱進(jìn)行布置的時(shí)候，應(yīng)該和房間平面的功能需求一樣，每個(gè)房間的開間與進(jìn)深等都應(yīng)該保持一致。盡可能地簡(jiǎn)潔建筑系統(tǒng)，不可以讓柱與墻之間出現(xiàn)錯(cuò)位的情況，而且每一層的截面面積與高度都應(yīng)該是一樣的。

總之，建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的綜合性課題，其基本原則是確保建筑的適用、安全、美觀與經(jīng)濟(jì)，且要有利于工程實(shí)施。這五個(gè)方面在建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中各有所重，并且之間存在著矛盾。因此設(shè)計(jì)者只有在實(shí)踐中不斷的探索，積累豐富工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，才有可能設(shè)計(jì)出優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)方案。

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