建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的優(yōu)化措施分析

邢貴龍

（浙江省超維建筑設(shè)計院，浙江 杭州 311100）

一、引言：隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們對于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計也提出了更高的要求。特別是近年來，隨著先進的計算理論迅速發(fā)展，計算機的應(yīng)用得到了普遍的加強，而各種新型輕質(zhì)、高強、環(huán)保的建筑材料也得到了深入的研究和廣泛的應(yīng)用，使得建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計已不僅僅局限于安全可行，適用、美觀、可靠、經(jīng)濟等因素在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要性正在迅速提高。因此，推廣概念設(shè)計的優(yōu)化、打破以往的墨守成規(guī)、充分發(fā)揮創(chuàng)新能力，已成為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的當(dāng)務(wù)之急。

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的最終目的,就是為了尋求一個最令人滿意的設(shè)計方案，而其最開始的概念設(shè)計往往是最困難的。因為概念設(shè)計與之后的詳細設(shè)計不同，它具有典型的不確定性。正因為如此,許多設(shè)計人員為了圖省事，在概念設(shè)計階段往往只是通過調(diào)查幾個甚至兩個設(shè)計方案，從中選擇最優(yōu)方案。這種片面的概念設(shè)計方法，其結(jié)果不言而喻，最終必然會導(dǎo)致成本的增加,造成不必要的浪費。因此，關(guān)注業(yè)主的經(jīng)濟利益、滿足建筑結(jié)構(gòu)的功能要求、達成業(yè)主的其他重要需求，是一個優(yōu)秀的設(shè)計人員最起碼的目標(biāo)，而其中的重中之重，就是建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的優(yōu)化。

二、建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的特點：建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計與精確規(guī)范的理論設(shè)計不同，它是一種帶有經(jīng)驗總結(jié)性、非規(guī)范性的設(shè)計。概念設(shè)計不需要通過計算機或其他計算工具來進行嚴密精確的數(shù)據(jù)運算,而是以地震參數(shù)、試驗結(jié)果、結(jié)構(gòu)體系中的整體或個體之間的力學(xué)聯(lián)系、結(jié)構(gòu)的破壞機理、以及工程經(jīng)驗等為依據(jù)的一種概念性的設(shè)計思想和設(shè)計原則,它主要是對建筑結(jié)構(gòu)進行總體規(guī)劃布置和宏觀調(diào)控。

建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計,絕非毫無邏輯性的混亂主義,而是當(dāng)精確規(guī)范的理論設(shè)計不能正確解決建筑結(jié)構(gòu)過程中出現(xiàn)的問題時,采取的一種補充的手段和思路，它是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中的重要組成部分。由于現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計理論和計算理論還存在許多缺陷甚至不可計算性，因此要求設(shè)計人員必須要有優(yōu)秀的概念設(shè)計素養(yǎng)，才能彌補現(xiàn)行理論的缺陷，從而滿足建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求。另外，過度的精密運算結(jié)果往往并不能正確反應(yīng)建筑結(jié)構(gòu)的實際狀態(tài),由于理論設(shè)計的習(xí)慣性、機械性，有時極容易進入誤區(qū)，從而導(dǎo)致隱患和錯誤的產(chǎn)生,而擁有人性化思維方式的概念設(shè)計，由于通過了對現(xiàn)實環(huán)境的飽滿性探討,在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計初期起著無可取代的作用。同時，由于計算機的計算結(jié)果具有高精度的特點，往往會使設(shè)計人員對結(jié)構(gòu)的工作性能產(chǎn)生誤解，設(shè)計人員只有積極培養(yǎng)概念設(shè)計的能力，才能更加真實、客觀地理解結(jié)構(gòu)的工作性能。

綜合運用掌握的結(jié)構(gòu)概念，深刻了解各類結(jié)構(gòu)的性能，想方設(shè)法地找尋并選擇造價最低、效果最好的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，正是建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計優(yōu)化的核心靈魂所在。

三、建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的優(yōu)化措施

1、優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)：每項建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計都受到了多項客觀目標(biāo)的影響,而且通常這些目標(biāo)之間具有一定的矛盾性,若要提高某項目標(biāo)的要求，往往以降低其他目標(biāo)的要求為代價。而建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的優(yōu)化，首當(dāng)其沖就要考慮一種最為合理的方案，使這些相互矛盾的客觀目標(biāo)之間達到一定的平衡。

要實現(xiàn)各項目標(biāo)的平衡,需要考慮大量的因素,一般而言，最具代表性的就是要達到初始總投資、年運行成本和收入這三個目標(biāo)的平衡。即通過概念設(shè)計的優(yōu)化，盡可能地保證初始總投資和年運行成本的最小化，同時保證收入的最大化。其中，初始總投資的影響因素很多，包括土地成本、建筑結(jié)構(gòu)及裝飾成本、水電暖通成本、智能系統(tǒng)成本、消防系統(tǒng)成本等等，但歸根到底，就是取決于建筑總面積和單位面積造價；年運行成本是對建筑結(jié)構(gòu)和設(shè)備進行清掃、維護、管理等的費用；而收入則是建筑投入使用的所得費用，包括出售、出租及投入生產(chǎn)所得盈利等等。

通常在合理的范圍內(nèi)，往往初始總投資越大，相應(yīng)也會增加年運行成本，但同時收入也會得到提高。因此建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的優(yōu)化，就是要在業(yè)主能夠承受的初始總投資和年運行成本的范圍內(nèi)，實現(xiàn)收入的最大化，當(dāng)然其中還要考慮投入產(chǎn)出比等細節(jié)問題，總之保證設(shè)計成果的利益最大化。

2、優(yōu)化設(shè)計約束

建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計同樣還受到建筑物的可靠性、功能性、舒適性等多重限制的約束。如何在滿足這些約束的同時，盡量降低成本、提高產(chǎn)出，也是建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計優(yōu)化的一項重要內(nèi)容。

建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計約束一般可分為條件約束、規(guī)范約束和隱性約束三類。其中，條件約束又包含現(xiàn)實因素和業(yè)主要求兩方面的內(nèi)容?，F(xiàn)實因素包括了土地大小、周邊環(huán)境、政府有關(guān)部門的總體規(guī)劃等等；業(yè)主要求則內(nèi)容廣泛，可以是建筑物的尺寸、高度，也可以是建筑的造價，還可以是建筑的局部功能（比如要求有地下室）等等。規(guī)范約束則是相關(guān)規(guī)范規(guī)程的強制性指標(biāo)，它包括了建筑物的最大長寬比、最大高寬比、混凝土強度、防水抗?jié)B等級、消防要求、人防要求等等。無論是條件約束還是規(guī)范約束，都應(yīng)是建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計中必須滿足的要求，而隱性約束則是設(shè)計人員對概念設(shè)計進行優(yōu)化的重點。

簡單的說，隱性約束就是要求設(shè)計人員對于建筑結(jié)構(gòu)的概念要有深入的把握，它是一種虛幻性的約束，往往容易被忽視，但其實它才是設(shè)計約束中對概念設(shè)計進行優(yōu)化的關(guān)鍵所在。比如將建筑物中陽光少、地勢差的區(qū)域用作衛(wèi)生間而將陽光充足、地勢好的區(qū)域用作辦公室，在同樣大小的土地上選擇更舒適合理的戶型等等行為，都是建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的優(yōu)化措施。

3、優(yōu)化結(jié)構(gòu)體系和計算簡圖

建筑結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計是建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計中的一項重要內(nèi)容，設(shè)計人員通過結(jié)構(gòu)體系的建立將整個建筑的構(gòu)成清晰完整地呈現(xiàn)出來。建筑結(jié)構(gòu)體系是一個統(tǒng)一的、不可分割的整體,而不是各個部件個性體現(xiàn)之后的組合，各個部件只有組合在一起時才真正具備了建筑結(jié)構(gòu)價值。因此，在規(guī)劃結(jié)構(gòu)體系時,應(yīng)當(dāng)著重全盤、整體的考慮，切不可對單一的部件進行分別設(shè)計然后再進行組合，否則將喪失其特定的內(nèi)涵。

建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計在選擇計算簡圖時，應(yīng)當(dāng)盡量選用有結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施的計算簡圖。因為計算簡圖是建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計計算的重要組成部分,在一定程度上決定了結(jié)構(gòu)計算的準(zhǔn)確性和可靠性。因此，對計算簡圖的選擇應(yīng)當(dāng)慎之又慎，同理，對于計算簡圖的優(yōu)化，也是優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的重要措施。

4、虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)，就是在虛擬現(xiàn)實的環(huán)境中，由設(shè)計人員利用工程知識庫、組件庫、數(shù)據(jù)庫等來建立建筑結(jié)構(gòu)的三維虛擬模型。它具有一項具有較強立體感、真實感和現(xiàn)場感的仿真系統(tǒng)。在建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以對系統(tǒng)中的模型重復(fù)地進行參數(shù)設(shè)計和動態(tài)分析，根據(jù)得出的不同結(jié)果進行反復(fù)比較和同步修改，從而實現(xiàn)對建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的優(yōu)化。

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