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

儲(chǔ)開文 （中冶華天工程技術(shù)有限公司，安徽 馬鞍山 234000）

1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的五種優(yōu)化方法

1.1 對(duì)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行優(yōu)

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)，可以采取多種優(yōu)化方法，而數(shù)據(jù)模型就是優(yōu)化的基礎(chǔ)。所以，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況建立數(shù)學(xué)模型，與此同時(shí)，通過(guò)科學(xué)、有效、合理的優(yōu)化方法來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，以達(dá)成最好的效果。在對(duì)房建結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，首先是挑選合適的設(shè)計(jì)變量，保持牽動(dòng)條件比較小的預(yù)定變量，再以減少資金投入控制建筑成本為目標(biāo)，創(chuàng)造以建筑尺寸和有關(guān)數(shù)據(jù)所代表的目標(biāo)函數(shù)，再結(jié)合房屋的預(yù)應(yīng)力因素、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度因素、變形要求和尺寸數(shù)據(jù)，充分考慮建筑結(jié)構(gòu)的所有限制因素，以實(shí)現(xiàn)最好的房屋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 對(duì)數(shù)學(xué)計(jì)算進(jìn)行優(yōu)化

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化與非線性數(shù)據(jù)是相關(guān)的，其中含有許多的限制條件以及變量。在實(shí)際進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，經(jīng)常會(huì)用到符合型法以及拉氏乘子法等方法，將限制條件更換成無(wú)限制條件，把計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)化，然后再通過(guò)一定的運(yùn)算程序，就能獲得建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最佳方案。

1.3 對(duì)概念設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化

在優(yōu)化時(shí)，不可以只通過(guò)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，還需要與實(shí)際人工有機(jī)結(jié)合在一起，將概念設(shè)計(jì)的作用完全發(fā)揮出來(lái)。比如，在對(duì)建筑材料進(jìn)行挑選優(yōu)化的時(shí)候，最佳的方案是通過(guò)人工對(duì)各種材料的性能進(jìn)行相關(guān)分析；在設(shè)定對(duì)應(yīng)的技術(shù)參數(shù)時(shí)，最佳的方案是運(yùn)用計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)軟件來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。雖然進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件完成數(shù)量巨大的計(jì)算問(wèn)題，這是人工無(wú)法快速完成的，但是計(jì)算機(jī)軟件無(wú)法依據(jù)建筑的實(shí)際情況制定出最合適的設(shè)計(jì)方案。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，一定要根據(jù)實(shí)際情況，合理的使用計(jì)算機(jī)軟件以及人工兩種方法，來(lái)對(duì)概念設(shè)計(jì)進(jìn)行有效的優(yōu)化。

1.4 對(duì)加固過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化

為了確保建好的建筑物可以長(zhǎng)久安全的使用，就必須在施工的時(shí)候制定出符合規(guī)定的加固方案。從某種程度上說(shuō)，建筑物的加固方案其實(shí)對(duì)于其使用性能是其決定作用，如果加固方案的設(shè)計(jì)出現(xiàn)失誤或者是失敗，就會(huì)對(duì)建筑物的安全使用造成非常大的威脅，不能達(dá)到建筑物的最基礎(chǔ)的使用標(biāo)準(zhǔn)，也會(huì)由此給建筑工程造成無(wú)法估算的經(jīng)濟(jì)虧損。建筑物加固工程的重點(diǎn)是對(duì)其方案的制作，因?yàn)槠浯嬖谠O(shè)計(jì)方向很難更改，需求的單一性、供給的多樣化等特征，只要加固方案已經(jīng)確定在加固工程中進(jìn)行實(shí)施，后期就很難對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，如果調(diào)整就會(huì)出現(xiàn)極大的財(cái)力浪費(fèi)、人力浪費(fèi)以及物力浪費(fèi)。因此，為了確保和加強(qiáng)建筑物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，就一定要按照當(dāng)前國(guó)家所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)選擇合適的加固方案，以便建筑物的使用功能可以符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化策略

2.1 建筑結(jié)構(gòu)的整體優(yōu)化方法

建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要是指房屋建筑的整體構(gòu)造與部分構(gòu)造的設(shè)計(jì)兩個(gè)部分，這兩個(gè)部分相互依賴相輔相成，互為條件缺一不可。而建筑部分的設(shè)計(jì)優(yōu)化包含很多內(nèi)容，諸如屋頂?shù)脑O(shè)計(jì)優(yōu)化、框架的設(shè)計(jì)優(yōu)化、基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)優(yōu)化、維護(hù)優(yōu)化等。這就需要工程技術(shù)人員運(yùn)用所學(xué)專業(yè)認(rèn)真思索、精心設(shè)計(jì)，在每一具體項(xiàng)目的設(shè)計(jì)過(guò)程中，不但要保證結(jié)構(gòu)的安全性和適用性，還應(yīng)當(dāng)有效控制成本。智慧來(lái)源于實(shí)踐，要實(shí)現(xiàn)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)優(yōu)化，設(shè)計(jì)人員有必要親自到擬建項(xiàng)目場(chǎng)地實(shí)地考察論證，掌握項(xiàng)目相關(guān)的第一手資料，做到心中有數(shù)，并在設(shè)計(jì)中充分考慮現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。比如，在建筑材料的選擇上，除滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性要求及建筑功能設(shè)計(jì)要求外，盡可能結(jié)合當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)條件及市場(chǎng)條件進(jìn)行合理選取。再比如，當(dāng)遇到較為復(fù)雜的地質(zhì)條件時(shí)，設(shè)計(jì)人員也要結(jié)合當(dāng)?shù)氐氖┕l件，采取合理可行的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案。這樣，設(shè)計(jì)出來(lái)的建筑才能在施工中少發(fā)生問(wèn)題，確保項(xiàng)目的順利實(shí)施，從各方面保證建設(shè)項(xiàng)目的安全性，并盡可能節(jié)約成本，滿足項(xiàng)目的投資要求。

2.2 結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)

第一、選擇變量。在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)，設(shè)計(jì)師作為工程專業(yè)人員，一定要把影響方案設(shè)計(jì)的數(shù)值作為設(shè)計(jì)變量，例如，工程項(xiàng)目目標(biāo)控制參數(shù)與限制參數(shù)等等。如果把影響原因或改變幅度相對(duì)小的參數(shù)作為變量，那么，房屋建筑無(wú)論是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還是計(jì)算以致編程等，難度將會(huì)大大降低。

第二、確定目標(biāo)函數(shù)。就是說(shuō)，在實(shí)施構(gòu)造設(shè)計(jì)優(yōu)化操作中，專業(yè)設(shè)計(jì)人員要計(jì)算出能夠滿足有關(guān)預(yù)定條件的截面幾何尺寸、鋼筋的截面積和相關(guān)的失效概率函數(shù)，有效降低項(xiàng)目成本。

第三、確定約束條件。就房屋構(gòu)造的設(shè)計(jì)優(yōu)化來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)的可靠度必須要保證。同時(shí)，確定實(shí)施優(yōu)化設(shè)計(jì)也要有一定的約束條件，不能隨心所欲。所謂約束條件有不少內(nèi)涵，比如裂縫寬度的約束、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的約束、尺寸、應(yīng)力、構(gòu)件單元、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、可靠性指標(biāo)以及正常應(yīng)用極限狀態(tài)下的彈性、彈塑性等等。此外，還要對(duì)目標(biāo)約束條件和現(xiàn)實(shí)約束條件有效進(jìn)行對(duì)比和分析，以合乎相關(guān)規(guī)定要求。

2.3 選擇最優(yōu)程序進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析

設(shè)計(jì)人員完成模擬設(shè)計(jì)工作后，再根據(jù)已知條件選取最佳計(jì)算方案，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)流程的最優(yōu)化，使其有比較齊全的用途和完善的實(shí)踐作用，完善建筑設(shè)計(jì)功效與作用。要不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，通過(guò)比較查找設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)，多層次多角度思考問(wèn)題，既要注重經(jīng)濟(jì)利益、施工材料成本，也要顧全大局，提升信譽(yù)樹立形象，更要改進(jìn)技術(shù)發(fā)明創(chuàng)造，提升企業(yè)發(fā)展后勁。

2.4 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

房屋基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，直接關(guān)系房屋構(gòu)造的整體作用與穩(wěn)定。基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)好，整體作用一定強(qiáng)，穩(wěn)定性一定更牢固。因此，合理運(yùn)用建筑構(gòu)造設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，對(duì)基礎(chǔ)構(gòu)造設(shè)計(jì)至關(guān)重要。值得一提的是，要對(duì)地基地質(zhì)、樁基種類、基礎(chǔ)構(gòu)造等方面的設(shè)計(jì)實(shí)施有效控制，適時(shí)確定樁基項(xiàng)目方式，把握樁身長(zhǎng)度與直徑，優(yōu)化基礎(chǔ)構(gòu)造方案，確定科學(xué)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、施工技術(shù)與資金投入的平衡節(jié)點(diǎn)。在全面落實(shí)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，全面提升房屋整體構(gòu)造強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2.5 節(jié)能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

節(jié)能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化必須以綠色建筑思維理念為前提和基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)人員要正確運(yùn)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。具體方法包括：第一，要結(jié)合項(xiàng)目所處的地理位置、氣候條件和所在地城市規(guī)劃的具體情況，有的放矢地選擇建筑的朝向，這么做不僅可使住戶有好的采光照射，也為室內(nèi)通風(fēng)營(yíng)造了溫暖溫馨的良好環(huán)境，可謂是一舉多得；第二，要統(tǒng)籌兼顧，不能只顧建筑的美觀而不考慮座向風(fēng)向，只要設(shè)計(jì)科學(xué)合理，則會(huì)有效降低室內(nèi)熱量損耗，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能的最佳效果；第三，要采取優(yōu)化措施，完善房屋建筑的維護(hù)工作。對(duì)屋頂、門和窗戶等要提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。在面對(duì)陽(yáng)光一側(cè)，窗面積可適當(dāng)擴(kuò)大，有條件的也可增加窗戶數(shù)量，這種設(shè)計(jì)方式會(huì)提升室內(nèi)的采光度。在背光一側(cè)，可適當(dāng)減少窗的面積或數(shù)量，避免熱量過(guò)多散失，以利節(jié)能。

3 總結(jié)

對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，一方面可以增強(qiáng)了建筑物的安全性能、實(shí)用性能，以及滿足功能多樣化的需求，另一方面可以提升建筑物本身的美觀效果。因此設(shè)計(jì)工作者在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì)相關(guān)的優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行充分運(yùn)用，挑選合適的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，以實(shí)現(xiàn)減少工程預(yù)算的成本，提升經(jīng)濟(jì)效益。在設(shè)計(jì)時(shí)，還需要更緊密的結(jié)合直覺對(duì)優(yōu)化技術(shù)充分運(yùn)用，提升建筑結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)的抗震能力，以實(shí)現(xiàn)最大化的經(jīng)濟(jì)效益。