結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)及其在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

胡甜甜

摘 要：隨著人們對(duì)房屋建筑要求的不斷提高，房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也越來越多樣化。在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員不斷創(chuàng)新設(shè)計(jì)觀念與方法，優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，以盡量提高房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性、合理性與經(jīng)濟(jì)性，為房屋建筑的使用者提供美觀、實(shí)用、安全、舒適的房屋建筑。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)；房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；應(yīng)用策略

近年來，不斷上漲的土地價(jià)格給開發(fā)商的建筑總成本控制帶來了極大的壓力，同時(shí)，人們對(duì)于居住條件及生活環(huán)境的要求不斷提高，相應(yīng)建筑產(chǎn)品的品質(zhì)要求也就不斷提高，這就讓開發(fā)商不斷尋求新的手段滿足顧客需求，而降低工程造價(jià)就成為開發(fā)商追求的直接目標(biāo)，這就需要我們利用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)方法，提高有限空間、有限資源的最大化效果發(fā)揮，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)化、實(shí)用性和適用性的良好目標(biāo)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)追求適用、安全、經(jīng)濟(jì)、美觀和便于施工五種效果，而建筑設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)方法的應(yīng)用不但滿足了建筑美觀、造型優(yōu)美的要求又能使房屋結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)、合理，成為實(shí)際意義上的”經(jīng)濟(jì)適用”房。從建筑上分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，它主要體現(xiàn)在房屋工程分部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和房屋工程結(jié)構(gòu)總體的優(yōu)化設(shè)計(jì)量方面。進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在滿足設(shè)計(jì)意圖后，盡量使平面布置規(guī)則，縮小剛度和質(zhì)量中心的差異，這樣水平荷載就不會(huì)使建筑物有太大的扭轉(zhuǎn)作用。豎直方向上應(yīng)避開使用轉(zhuǎn)換層，減少應(yīng)力集中現(xiàn)象。

1.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化就是在各種影響變量中選擇主要參數(shù)，并建立函數(shù)模型，運(yùn)用科學(xué)合理的方法得出最優(yōu)解。結(jié)構(gòu)總體的優(yōu)化建立模型的大致步驟如下：一是設(shè)計(jì)變量的合理選擇。通常的設(shè)計(jì)變量選擇對(duì)設(shè)計(jì)要求影響較大的參數(shù)，將所涉及的參數(shù)按照各自的重要性區(qū)分，將對(duì)變化影響不大的參數(shù)定為預(yù)定參數(shù)，通過這種方法可減少很多計(jì)算編程的工作量。二、目標(biāo)函數(shù)的確定。使用函數(shù)找出滿足既定條件的最優(yōu)解。最后，約束條件的確定。房屋結(jié)構(gòu)可靠度優(yōu)化設(shè)計(jì)的約束條件，包括了應(yīng)力約束、裂縫寬度約束、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度約束、尺寸約束、從正常時(shí)的極限狀態(tài)下彈性約束到終極狀態(tài)的彈塑性約束、從可靠指標(biāo)約束到確定性約束條件等。設(shè)計(jì)中，要保證各約束條件必須符合現(xiàn)行規(guī)范的要求。

1.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算方案

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)多個(gè)變量、多個(gè)約束條件，屬于一個(gè)非線性的優(yōu)化問題，設(shè)定計(jì)算方案時(shí)，常將有約束條件轉(zhuǎn)變?yōu)闊o約束條件來計(jì)算。常用的方法有拉氏乘子法、符合型法、Powell等。完成計(jì)算方案的設(shè)定后只需編制相應(yīng)適用的運(yùn)算程序即可得到我們的最終優(yōu)化結(jié)果。

2 房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用中存在的問題

一般來說，房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行房屋設(shè)計(jì)過程中，需要利用適宜的設(shè)計(jì)理念與設(shè)計(jì)方法，對(duì)房屋結(jié)構(gòu)的形勢(shì)、構(gòu)件尺寸、布局等進(jìn)行科學(xué)地設(shè)計(jì)，從而滿足房屋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需求。在建筑方案階段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就要進(jìn)入配合，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性是否合理在方案階段就決定了大部分。經(jīng)濟(jì)性不是“抽”鋼筋，不是為省鋼筋而省鋼筋，也不是犧牲結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，是在保證結(jié)構(gòu)的安全，合理受力的前提下，并滿足規(guī)范要求的“低值”配筋。隨著設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，但是卻存在著一些問題需要設(shè)計(jì)人員提高重視。

首先，房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受到多重因素的影響，致使設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中，所優(yōu)化的目標(biāo)只能夠滿足一個(gè)或者幾個(gè)方面的要求，不能同時(shí)滿足整個(gè)工程的需求。設(shè)計(jì)人員利用計(jì)算機(jī)軟件來優(yōu)化房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同樣受到設(shè)計(jì)進(jìn)度、建筑功能等因素的制約，使房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)無法達(dá)到最佳。

其次，一些房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化過程中，通常是從小處著眼，即對(duì)房屋結(jié)構(gòu)的尺寸與構(gòu)件截面進(jìn)行優(yōu)化，從而忽視了結(jié)構(gòu)尺寸與構(gòu)件截面在結(jié)構(gòu)整體中的作用。因此，在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用中，不能僅僅優(yōu)化結(jié)構(gòu)的尺寸與構(gòu)件截面，還要考慮結(jié)構(gòu)的整體性，比如房屋周邊的梁柱截面有時(shí)候不是單純的為了滿足計(jì)算配筋的要求，而是保證結(jié)構(gòu)整體更好的抗扭能力，以保證房屋建筑整體的穩(wěn)定性與可靠性。

最后，隨著人們對(duì)房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求的不斷提高，房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的變量也在不斷增加。因此，房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員必須提高重視，以提高優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用的效率。但是，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)算法已經(jīng)不能滿足房屋優(yōu)化設(shè)計(jì)的要求，需要設(shè)計(jì)人員針對(duì)問題，提出創(chuàng)新的設(shè)計(jì)算法，以提高房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用的有效性。

3 民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與經(jīng)濟(jì)性的關(guān)系

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與用地的關(guān)系

在多層或者高層住宅建筑中，各層建筑面積的總數(shù)就是整個(gè)工程的建筑總面積，因此，建設(shè)的樓房層數(shù)越多，單位面積上分?jǐn)偟姆课菝娣e就少。但是，同時(shí)建筑的層數(shù)增加對(duì)建筑房屋之間的樓間距是有影響的，并不是層數(shù)越多，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益就越大。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與造價(jià)的關(guān)系

建筑的層數(shù)和單位建筑的面積造價(jià)是有直接的關(guān)系的，但是在影響的程度上是各有不同的。例如在樓頂?shù)牟糠郑驗(yàn)椴还芙ㄔ於嗌賹拥臉牵际侵挥幸粋€(gè)樓頂，因此，樓頂?shù)慕ㄖ靸r(jià)并不是因?yàn)閷訑?shù)的增加而增加造價(jià)，而是隨著層數(shù)的增加樓頂單位面積的造價(jià)是下降的。但是在基礎(chǔ)的部分，各層是共用的，樓層越高，對(duì)于基礎(chǔ)部分的承載要求也越高，這就需要增加造價(jià)，以達(dá)到整體建筑的承載要求。另外，在承重部分，和基礎(chǔ)部分一樣，隨著樓層數(shù)的增加，對(duì)于承重的要求也提升，造價(jià)也會(huì)增加。

3.3 高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與經(jīng)濟(jì)性的關(guān)系

住宅樓的樓層數(shù)和住宅樓的造價(jià)也是有直接的關(guān)系的，樓層數(shù)越多，整個(gè)工程的墻面面積以及支撐結(jié)構(gòu)的要求也越高，這就會(huì)增加基礎(chǔ)和承載結(jié)構(gòu)的造價(jià)，同樣建筑內(nèi)部的水電結(jié)構(gòu)管線也會(huì)增加，這些都是提升造價(jià)的地方。降低住宅樓的層數(shù)，不僅能夠減少建筑的成本，以及建筑附屬設(shè)施的成本，還可以節(jié)約土地，因?yàn)闃菍拥停照蘸茫瑯情g距會(huì)適當(dāng)?shù)目s小，單位土地面積上的利用率也會(huì)增加。

建筑的平面形狀對(duì)于建筑的成本也有一定的影響。在建筑面積相同的情況下，建筑的平面形狀在接近方形或者圓形的情況下，整個(gè)建筑的造價(jià)會(huì)降低。但是在設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要考慮到建筑的使用方便，因此通常我們的單體建筑平面形狀都是設(shè)計(jì)成矩形，不僅降低了成本，還適合人體的視覺感官以及滿足了使用要求

4 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)中的應(yīng)用

4.1直覺優(yōu)化（概念設(shè)計(jì)優(yōu)化）技術(shù)與建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于同一建筑方案，可以有許多不同的結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)；確定了結(jié)構(gòu)布置的建筑物，即使在同種荷載情況下也存在不同的分析方法；分析過程中設(shè)計(jì)參數(shù)、材料、荷載的取值也不是惟一的：建筑物細(xì)部的處理更是不盡相同，這些問題是計(jì)算機(jī)無法完全解決的，都需要設(shè)計(jì)人員自己作出判斷。而判斷只能在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般規(guī)律指導(dǎo)下，根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，這便是前面所說的概念設(shè)計(jì)。因此，概念設(shè)計(jì)存在于設(shè)計(jì)師對(duì)多種備選方案進(jìn)行選擇的過程中。

4.2 概念設(shè)計(jì)處理的實(shí)際建筑設(shè)計(jì)問題概念設(shè)計(jì)所要處理的問題多種多樣

但可以肯定的是希望通過概念設(shè)計(jì)，建筑結(jié)構(gòu)能在各種不期而遇的外部作用下不受破壞，或?qū)⑵茐某潭冉抵磷畹汀Ｒ虼耍治鋈绾螒?yīng)付建筑物可能遭遇的各種不確定因素成為概念設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。其中，地震作用最為難以琢磨，破壞性也最大。故而，建筑設(shè)計(jì)過程中就應(yīng)該未雨綢繆，從計(jì)算及構(gòu)造等各個(gè)方面都要采取一些有助于提高抗震能力的措施，不利于抗震的作法則應(yīng)盡量避免。剛度均勻、對(duì)稱是減小地震在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生不利影響的重要手段；延性設(shè)計(jì)則能有效地防止結(jié)構(gòu)在地震作用下發(fā)生脆性破壞；多道設(shè)防思想能使建筑在特大地震作用下次要的構(gòu)件先破壞，消耗一部分地震能量。這些抗震設(shè)防思想在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中都應(yīng)該作為概念設(shè)計(jì)的重要指導(dǎo)思想。

5 結(jié)語

總而言之，房屋結(jié)構(gòu)作為房屋建筑的重要組成部分，在房屋建筑中起到支撐、保護(hù)的作用，房屋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)質(zhì)量直接影響到房屋建筑的質(zhì)量。

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