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

趙豐

【摘 要】房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)用建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可以滿足這一要求，保證建筑美觀、造型優(yōu)美，同時(shí)又能夠便于房屋的施工，使房屋安全、經(jīng)濟(jì)、適用。在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)的實(shí)踐過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)實(shí)踐探索，降低經(jīng)濟(jì)成本，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益的最大化，從而在保證經(jīng)節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本和達(dá)到美觀要求的情況下合理進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；優(yōu)化方法；房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的理論基礎(chǔ)

在進(jìn)行工程項(xiàng)目和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要考慮的因素很多，最終目的是要在保證設(shè)計(jì)對(duì)象基本適用功能和安全可靠性的情況下，把設(shè)計(jì)對(duì)象設(shè)計(jì)到最好的程度。這就涉及到工程和結(jié)構(gòu)最優(yōu)化的問(wèn)題。用科學(xué)的語(yǔ)言來(lái)描述就是：利用確定的數(shù)學(xué)方法，在所有可能的設(shè)計(jì)方案的集合中，搜索到能夠滿足預(yù)定目標(biāo)的、最令人滿意的方案。

從建筑理論上分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法可以得知，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，其一是房屋工程部分結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，其二是房屋工程結(jié)構(gòu)總體的優(yōu)化設(shè)計(jì)。后者的優(yōu)化設(shè)計(jì)包括：屋蓋系統(tǒng)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)細(xì)部設(shè)計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。穿插其中的，還包含選型、布置、受力分析、造價(jià)分析等項(xiàng)目，在實(shí)施過(guò)程中，應(yīng)遵循一定的原則，結(jié)合具體工程的實(shí)際情況，從實(shí)際出發(fā)，圍繞房屋建筑的綜合經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

在設(shè)計(jì)安全被保證的情況下，建筑師應(yīng)開(kāi)拓創(chuàng)新，挑戰(zhàn)新的結(jié)構(gòu)形式。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，建筑師的設(shè)計(jì)意圖應(yīng)能夠得到基本滿足，應(yīng)設(shè)置盡量符合規(guī)則的平面布局，使其對(duì)稱；同時(shí)縮小質(zhì)量中心和剛度中心的差異，使建筑物在水平荷載作用下不致于產(chǎn)生太大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。在豎直方向的布置上，應(yīng)確保在滿足功能要求的情況下，盡最大可能貫通豎向的承重構(gòu)件；為使結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)上的難度不致于太大，減少不必要的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)，使應(yīng)力分散，轉(zhuǎn)化層應(yīng)盡可能少地使用；豎直方向的剛度要漸變，而不要突變，如若不然，在水平荷載作用下，突變處會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，這是非常不利于結(jié)構(gòu)抵抗水平動(dòng)力荷載的。

二、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)的意義所在

在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中運(yùn)用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以起到非常好的效果，這不僅可以使房屋看起來(lái)更加美觀，用起來(lái)更加實(shí)在，而且也能夠節(jié)省大量的造價(jià)，起到良好的效果。幾乎每一個(gè)建筑商都希望，在建筑結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)遠(yuǎn)效益得到滿足的情況下，應(yīng)盡可能地降低建筑結(jié)構(gòu)的近期投資，與此同時(shí)，保障建筑物結(jié)構(gòu)的可靠性和科學(xué)性。只有這樣，才能順利實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，得到更多、更大的經(jīng)濟(jì)效益。

采用設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法與采用傳統(tǒng)房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法相比優(yōu)點(diǎn)是十分明顯的，它可以使建筑工程造價(jià)得到大幅度降低，降幅達(dá)到35%。要實(shí)現(xiàn)優(yōu)化方法的技術(shù)性問(wèn)題，材料的性能要合理利用起來(lái)，爭(zhēng)取協(xié)調(diào)好建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部的各單元，達(dá)到建筑規(guī)范所規(guī)定的安全水平。同時(shí)，優(yōu)化方法的技術(shù)性實(shí)現(xiàn)還可以合理決策建筑整體性方案設(shè)計(jì)，它可以有效實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)化、實(shí)用性和適用性的良好目標(biāo)。

三、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）結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型

房屋結(jié)構(gòu)整體優(yōu)化設(shè)計(jì)方法分以按 3 個(gè)步驟進(jìn)行。首先 ，選擇設(shè)計(jì)變量。一般把對(duì)設(shè)計(jì)要求起主要影響作用的參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量 ，如目標(biāo)控制參數(shù)（結(jié)構(gòu)造價(jià) C1 和損失期望 C2）和約束控制參數(shù)（結(jié)構(gòu)的可靠度 PS）；而將那些對(duì)設(shè)計(jì)要求來(lái)講 ，變化范圍不大或是根據(jù)結(jié)構(gòu)要求或局部性的設(shè)計(jì)考慮就能滿足設(shè)計(jì)要求的參數(shù)等作為預(yù)定參數(shù) ，這可以大大減少設(shè)計(jì)、計(jì)算和編制程序的工作量 ；其次 ，確定目標(biāo)函數(shù)。尋求一組滿足預(yù)定條件的截面幾何尺寸和鋼筋截面積以及失效概率 ，從而使總費(fèi)用最小 ；第三 ，確定約束條件。房屋結(jié)構(gòu)基于可靠度優(yōu)化設(shè)計(jì)的約束條件 ，則包括尺寸約束、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度約束、應(yīng)力約束、變形約束、裂縫寬度約束、構(gòu)件單元約束、結(jié)構(gòu)體系約束、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、從可靠指標(biāo)約束到確定性約束條件等。在設(shè)計(jì)中 ，要使結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用于實(shí)際房屋結(jié)構(gòu)工程 ，則是路房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中實(shí)際的約束條件與目標(biāo)約束條件相比較 ，保證各約束條件都符合現(xiàn)行規(guī)范的要求 ，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)。

（二）設(shè)定優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算方案

房屋結(jié)構(gòu)基于可靠度的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題屬于比較復(fù)雜的多變量、多約束非線性優(yōu)化問(wèn)題，一般情況下，在計(jì)算過(guò)程中，應(yīng)轉(zhuǎn)化問(wèn)題求解，即將有約束優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為無(wú)約束問(wèn)題。可以利用起來(lái)的優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算方法有復(fù)合形法、拉氏乘子法、Powell法等。

（三）進(jìn)行程序設(shè)計(jì)

根據(jù)基于可靠度的結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型和選擇的優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算方法，編制功能齊全、運(yùn)算速度快的綜合程序。

（四）結(jié)果分析

對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

在上述步驟的執(zhí)行過(guò)程中，涉及的問(wèn)題包括多個(gè)方面，所以要全方位、多角度地考慮。這主要是因?yàn)榻ㄔO(shè)投資這項(xiàng)工程的耗資非常大，涉及到的情況非常多，所以，總法則和考慮必須綜合進(jìn)行，不能片面地追求資金的節(jié)約而不顧設(shè)計(jì)的優(yōu)化作用。技術(shù)與經(jīng)濟(jì)之間存在一對(duì)矛盾，要能夠正確處理，因?yàn)樗强刂仆顿Y中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。因此，在設(shè)計(jì)中片面強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)節(jié)約是不正確的，應(yīng)滿足技術(shù)上的相應(yīng)要求，使項(xiàng)目達(dá)到相應(yīng)的功能傾向，與此同時(shí)，要反對(duì)重視技術(shù)，輕經(jīng)濟(jì)、設(shè)計(jì)保守浪費(fèi)的現(xiàn)象。

四、結(jié)語(yǔ)

總而言之，建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的研究涉及面廣泛，具有十分復(fù)雜的特點(diǎn)，是一項(xiàng)綜合決策問(wèn)題。適用、經(jīng)濟(jì)、安全、便于施工和美觀是建筑工程設(shè)計(jì)優(yōu)化追求的五種效果，而這五個(gè)方面的側(cè)重點(diǎn)各不相同，相互之間又存在一些矛盾的地方，所以，在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)的實(shí)踐過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)實(shí)踐探索，降低經(jīng)濟(jì)成本，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益的最大化，從而在保證經(jīng)節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本和達(dá)到美觀要求的情況下合理進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

【參考文獻(xiàn)】

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