淺談結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的原則及方法

朱金梅

（廣州京穗勘察設(shè)計(jì)有限公司， 廣東 廣州 510000)

0 引言

對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，讓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠更加貼合實(shí)際，滿足建設(shè)方的需求，同時(shí)可以節(jié)約工程建設(shè)成本，從而達(dá)到最大效益。本文針對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的弊端進(jìn)行分析，提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的原則和方法：堅(jiān)持安全第一兼顧舒適的優(yōu)化原則，因地制宜地優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高建筑的實(shí)用價(jià)值，降低項(xiàng)目建設(shè)成本。

1 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的弊端

1.1 工作效率低下

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要是結(jié)構(gòu)工程師通過(guò)建筑工程師提供的建筑圖紙進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)離不開(kāi)精密計(jì)算，而建筑結(jié)構(gòu)在實(shí)施過(guò)程中也少不了對(duì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，確保建筑的安全性。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要在原來(lái)的圖紙上進(jìn)行不斷地改寫(xiě)。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方式工作效率低，在修改過(guò)程中容易導(dǎo)致重要數(shù)據(jù)丟失，同時(shí)無(wú)法保證數(shù)據(jù)精確。即使傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)工程師開(kāi)始進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，就會(huì)將客戶的要求以及相關(guān)數(shù)據(jù)全部收集整理好，確保自己的整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案能夠一次通過(guò)，但是這樣的工作效率也是很低的。客戶不能短時(shí)間內(nèi)看到建筑結(jié)構(gòu)圖，如果出現(xiàn)方案不通過(guò)的現(xiàn)象，會(huì)拉長(zhǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)間，工作高效更是無(wú)從談起。

1.2 資源的浪費(fèi)

結(jié)構(gòu)工程師是通過(guò)結(jié)構(gòu)語(yǔ)言來(lái)表達(dá)所要實(shí)現(xiàn)的東西，而結(jié)構(gòu)語(yǔ)言就是從建筑圖紙及其他專(zhuān)業(yè)圖紙中提煉出來(lái)的結(jié)構(gòu)元素，然后通過(guò)這些結(jié)構(gòu)元素來(lái)形成建筑物的結(jié)構(gòu)體系。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，它不僅需要專(zhuān)業(yè)人員新奇的設(shè)計(jì)想法，還需要精密的計(jì)算，因此傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形成資源浪費(fèi)。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)工程師一般會(huì)采用圖紙繪稿的形式，去進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為了滿足客戶需求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要不斷修改，為了達(dá)到數(shù)據(jù)精密，結(jié)構(gòu)工程師需要更多的作圖工具進(jìn)行繪稿，有的作圖工具只用一次，在資源上造成了一定的浪費(fèi)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，它缺少計(jì)算機(jī)等輔助工具，因此會(huì)使用替代工具制作相符模型，這種模型不具有重復(fù)利用性，之后銷(xiāo)毀也會(huì)造成資源浪費(fèi)。

1.3 數(shù)據(jù)的不定性

結(jié)構(gòu)工程師在進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，由于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式是手工測(cè)量的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)尺子在圖紙上按圖比畫(huà)下來(lái)，但是這種作圖的方法，很容易因?yàn)樽约旱氖д`而造成圖紙上數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤。即使結(jié)構(gòu)工程師了解了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的要求，有可能在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)的不確定性增加,容易導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的圖稿變成一張廢紙。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則與規(guī)劃

2.1 優(yōu)化準(zhǔn)則

在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，需要滿足一些設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，如從工程角度來(lái)看的應(yīng)力準(zhǔn)則，這些準(zhǔn)則大多是從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上總結(jié)出來(lái)的一種工程方法，通過(guò)嚴(yán)格的理論分析、研究和判斷得到，由此得到的設(shè)計(jì)一般都接近最優(yōu)。第一是滿足應(yīng)力設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，充分發(fā)揮材料強(qiáng)度潛力,較好地處理結(jié)構(gòu)中的位移、自身的震動(dòng)頻率以及彈性穩(wěn)定性等問(wèn)題。通常由庫(kù)恩·塔克條件建立參考方程，但其適應(yīng)范圍有限，主要適用于規(guī)定了結(jié)構(gòu)布置或形狀的情況。

2.2 數(shù)學(xué)規(guī)劃

數(shù)學(xué)規(guī)劃主要是從結(jié)構(gòu)力學(xué)的原理出發(fā)，通過(guò)運(yùn)用各種數(shù)學(xué)方法去尋找結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，從而使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)化。數(shù)學(xué)規(guī)劃法所包含的理論知識(shí)也越來(lái)越多，它可以適用于各種各樣的情況之中，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)這一領(lǐng)域也具有一定的通用性。盡管它具有一定的通用性，但是仍要具體問(wèn)題具體分析，結(jié)合實(shí)際去進(jìn)行合理地應(yīng)用，確保后期設(shè)計(jì)稿具備最優(yōu)的解決方案。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)所要解決的問(wèn)題

在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中，最重要的是要學(xué)會(huì)如何去建立數(shù)學(xué)模型。建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型主要要考慮兩個(gè)因素：一是設(shè)計(jì)變量，二是目標(biāo)函數(shù)。

（1）設(shè)計(jì)變量。設(shè)計(jì)變量是建立數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)。如在建立一個(gè)3D正方體的數(shù)學(xué)模型圖的時(shí)候，首先要對(duì)整個(gè)正方體的長(zhǎng)、寬、高進(jìn)行一個(gè)數(shù)值的設(shè)計(jì)，這樣在后面建立數(shù)學(xué)模型時(shí)就有了數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，可依據(jù)這個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型設(shè)計(jì)。在整個(gè)數(shù)學(xué)模型中它的變量越多也就證明它的效果越好，但在進(jìn)行變量設(shè)計(jì)時(shí)，最為重要是要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行數(shù)值的設(shè)計(jì)，才能準(zhǔn)確地呈現(xiàn)整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，這樣的數(shù)學(xué)模型才具有使用價(jià)值。否則，即使數(shù)學(xué)模型建立出來(lái)，也會(huì)因?yàn)樽兞棵撾x客觀條件，從而導(dǎo)致這個(gè)數(shù)學(xué)模型不具有實(shí)際的作用。

（2）目標(biāo)函數(shù)。在進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的建立時(shí)，也要對(duì)數(shù)學(xué)模型的各個(gè)變量設(shè)置一個(gè)函數(shù)表達(dá)式，利用這個(gè)函數(shù)表達(dá)式去表達(dá)設(shè)計(jì)的變量之間的關(guān)系。這個(gè)目標(biāo)函數(shù)，也是展現(xiàn)整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否達(dá)到規(guī)定要求的一個(gè)判斷標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的原則與方法

需要結(jié)合工程的實(shí)際狀況進(jìn)行科學(xué)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)才能獲得較好的效果。針對(duì)此，提出以下幾個(gè)方面的建議。

4.1 堅(jiān)持安全第一的原則

建筑結(jié)構(gòu)的安全性，是工程師在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)之初應(yīng)首要考慮的問(wèn)題。因此，我國(guó)早已頒布相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，提出建筑結(jié)構(gòu)要努力做到“小震震不壞，中震尚可修，大震不倒塌”的原則，在建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過(guò)程中，要始終將建筑結(jié)構(gòu)的安全性放在第一位。因此，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)分別考慮各個(gè)建筑構(gòu)件的承載力，再綜合考慮優(yōu)化后的建筑構(gòu)件的承載力，保證優(yōu)化后的建筑構(gòu)件符合安全規(guī)定，使整個(gè)建筑呈現(xiàn)出安全又耐用的特點(diǎn)。此外，由于結(jié)構(gòu)構(gòu)件在不同的位置，受力的大小也有所差異，因此，應(yīng)針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的特殊部位，對(duì)建筑構(gòu)件和設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。比如，在一些復(fù)雜的建筑中，要根據(jù)剪力墻上面的錯(cuò)洞情況，用特殊材質(zhì)的暗柱進(jìn)行加強(qiáng)處理。

4.2 兼顧舒適度的原則

在建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，還要考慮到用戶的使用舒適度問(wèn)題，堅(jiān)持兼顧舒適度的原則，則應(yīng)綜合考慮建筑的平面占地、內(nèi)部空間、層高等因素，從設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、裝飾再到空調(diào)、燃?xì)獾榷喾矫孢M(jìn)行優(yōu)化，從而保證用戶在建筑使用中，感受到較高的舒適感。因此，在建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)建筑的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行綜合優(yōu)選，對(duì)結(jié)構(gòu)的傳力路徑進(jìn)行科學(xué)分析，對(duì)內(nèi)部的構(gòu)件進(jìn)行合理布局，對(duì)材料的選取進(jìn)行嚴(yán)格把控，總之，應(yīng)當(dāng)從多方面提升建筑的使用舒適度。

4.3 優(yōu)化結(jié)構(gòu)布局，降低成本

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要注意的是對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的成本控制。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的整體布局調(diào)整，優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)布局，使得整個(gè)結(jié)構(gòu)在保證質(zhì)量安全的前提下，能夠使建筑成本降到最低。降低成本可以從以下幾方面去考慮：在結(jié)構(gòu)的整體布局上，在保障其穩(wěn)定性的同時(shí)可以采用多元化的布局方式減少材料的使用，同時(shí)還可以在保障整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量達(dá)標(biāo)的前提下，合理選擇不同材質(zhì)的材料，在材料使用上進(jìn)一步降低成本。

4.4 因地制宜優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

建筑所處的地理位置、氣候情況、土壤情況、水源情況等，也會(huì)影響建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。因此，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的時(shí)候，還應(yīng)考慮建筑所處的地理位置等外在因素，采用因地制宜的方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。工程師在進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要先對(duì)設(shè)計(jì)地區(qū)的氣候、風(fēng)俗、地形以及地質(zhì)進(jìn)行勘察了解，根據(jù)這些基礎(chǔ)信息，再對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，盡量避免設(shè)計(jì)缺陷的存在。

5 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前在建筑行業(yè)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件、BIM技術(shù)的運(yùn)用，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)創(chuàng)造了條件，提升了效率，降低后期的施工成本，滿足當(dāng)前工程建設(shè)模式發(fā)展的需要，各建筑企業(yè)都十分重視結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),并按照安全，舒適，低成本的原則，進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)，在后期的順利施工及增加收益奠定基礎(chǔ)。