淺談結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)與其在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

陳俊

【摘要】隨著我國(guó)社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)于不同商品的需求量日益增加，市場(chǎng)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)供不應(yīng)求的的局面。具體到建筑業(yè)中，體現(xiàn)在建筑耗費(fèi)的成本越來(lái)越高。只有不斷降低建筑在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中成本，才能獲得更大的利益。從這一角度出發(fā)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是降低結(jié)構(gòu)成本的最直接有效的方法。優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，就要開發(fā)和應(yīng)用新的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)。本文分析了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)的方法，具體到其在房屋建設(shè)中的應(yīng)用，來(lái)闡述優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的重要意義。

【關(guān)鍵詞】結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)；房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；應(yīng)用

0.前言

隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，建筑業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)十分激烈，土地的爭(zhēng)奪必然導(dǎo)致了土地價(jià)格飛速上漲的結(jié)果。土地價(jià)格越來(lái)越高，無(wú)疑增加了地產(chǎn)開發(fā)商的開發(fā)成本。在加上人們對(duì)物質(zhì)享受質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的日益提高，對(duì)自己居住的房屋的質(zhì)量和裝飾的要求也越來(lái)越高。這給與建筑相關(guān)的各種產(chǎn)品的質(zhì)量提出了一個(gè)新的標(biāo)準(zhǔn)。開發(fā)商們必須找到新的方式來(lái)制建造質(zhì)量的建筑產(chǎn)品，滿足人們的不斷增長(zhǎng)的高要求。降低建筑工程的成本是最直接、最有小的方法和出路。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，才能合理地利用和配置建筑資源，提高資源利用率和建筑效率，降低成本的必要手段。不但能夠給商家?guī)?lái)更多的經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)，還能滿足人們的居住需求。

成本預(yù)算是房屋建造的初始工作，結(jié)構(gòu)的成本占據(jù)了建筑總成本的很大一部分。要減少這一部分的開支，就必須對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)和方法進(jìn)行優(yōu)化與改造。降低建筑工程成本的預(yù)算，使建筑資源達(dá)到最優(yōu)化的配置和利用。就需要我們不斷研究和改進(jìn)優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法。

1.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法

賞心悅目的建筑是建筑的美觀與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相互協(xié)調(diào)密切配合的結(jié)果。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。

房屋工程分部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)包括：基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)、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)。對(duì)以上幾個(gè)方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)還包括選型、布置、受力分析、造價(jià)分析等內(nèi)容，在工程建設(shè)的實(shí)際操作中，要做到具體問題具體出發(fā)，根據(jù)房屋本身的特點(diǎn)和該工程自身的狀況，從整體的最大利益出發(fā)，制定最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。對(duì)房屋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作，不僅要滿足最優(yōu)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，而且要使整個(gè)房屋平面的布局十分規(guī)則，減少剛度和質(zhì)量中心之間的差別，這樣做的目的是減少水平荷載對(duì)房屋的控制和改變。同時(shí)，為了不出現(xiàn)房屋的應(yīng)力集合在一起的情況，在房屋機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中，應(yīng)該盡量避免在房屋縱向空間使用轉(zhuǎn)換層。

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：首先是設(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。其次是目標(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，是約束條件的確定。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

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，有很多的變化因素和限制因素，因此，它的計(jì)算方法也是比較特殊。在計(jì)算的時(shí)候，我們常常把它的限制因素轉(zhuǎn)化成無(wú)限制因素。最普遍被應(yīng)用的方法就是乘子法、符合型法、Powell等。這些優(yōu)化設(shè)計(jì)十分方便而且運(yùn)算過程科學(xué)精準(zhǔn)，只需要在電腦里對(duì)這些運(yùn)算方法進(jìn)行編程，便可以得到科學(xué)的最優(yōu)結(jié)論。

2.房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1概念設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)和建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)中，概念設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)思想展示的關(guān)鍵因素，作為設(shè)計(jì)人員，最重要的事情就是在一個(gè)特定的空間內(nèi)，利用整體的概念來(lái)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)方案的確定，將建筑中，構(gòu)件和結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系進(jìn)行處理，要想將概念設(shè)計(jì)較好的完成，設(shè)計(jì)人員必須建立在豐富的建筑經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，隨著經(jīng)驗(yàn)的增長(zhǎng)，設(shè)計(jì)作品也會(huì)變得越來(lái)越新穎、完美。在相同的設(shè)計(jì)方案中，建筑中的結(jié)構(gòu)組成設(shè)計(jì)也存在很多種變化，即使是內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)確定的建筑，它的各種分析方法也存在許多的不同。而上述這些問題，并不能通過計(jì)算機(jī)來(lái)完成，需要相關(guān)工作人員自己對(duì)其進(jìn)行判斷和處理。這些判斷和處理都需要在遵循一般規(guī)律的前提下，根據(jù)已有的工程經(jīng)驗(yàn)，得到最終的結(jié)果，這一過程也就是前面所說的概念設(shè)計(jì)。

2.2概念設(shè)計(jì)處理的實(shí)際建筑設(shè)計(jì)問題

勘察設(shè)計(jì)是工程的靈魂，質(zhì)量的龍頭。只有具備優(yōu)秀的設(shè)計(jì)，才能創(chuàng)建優(yōu)質(zhì)的工程。一個(gè)優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)工程師會(huì)在每一項(xiàng)工程設(shè)計(jì)的開始，即在建筑設(shè)計(jì)的方案階段，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)設(shè)計(jì)理論，在腦海中進(jìn)行一個(gè)“優(yōu)化”過程，運(yùn)用概念設(shè)計(jì)方法，可以迅速、有效地對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行構(gòu)思、比較與選擇，同時(shí)幫助建筑師開拓或?qū)崿F(xiàn)建筑物業(yè)所想要的空間形式及其使用、構(gòu)造與形象功能，并以此為目標(biāo)，與建筑師一起確定建筑的總體結(jié)構(gòu)體系，并能明確總體結(jié)構(gòu)體系分體結(jié)構(gòu)體系的最優(yōu)受力方案所得方案往往概念清晰、定性正確，避免了后期設(shè)計(jì)階段一些不必要的煩瑣運(yùn)算，具有較好的經(jīng)濟(jì)可靠性能。

3.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的現(xiàn)實(shí)意義

3.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)降低總造價(jià)

進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，多層住宅和高層住宅相比較，層數(shù)越多，總建筑面積增大，單位建筑面積占用的土地面積就越小，節(jié)約了用地成本。但建筑層數(shù)的增多，建筑總高度也會(huì)加大，樓與樓之間的間距也要加大，這時(shí)占用的土地節(jié)約量就不與建筑層數(shù)增加比例相同了。對(duì)于基礎(chǔ)部分而言，雖然也是各層共用的，但是層數(shù)增加，傳給基礎(chǔ)的荷載將會(huì)增大，我們需要增大基礎(chǔ)，這樣單位面積的造價(jià)有所降低，但是卻沒有屋蓋的效果那樣明顯。

3.2進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提高建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性

與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相比，采用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法可以使建筑工程造價(jià)降低6%-34%。優(yōu)化方法的技術(shù)性實(shí)現(xiàn)，可以最合理的利用材料性能，使建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部各單元得到最好的協(xié)調(diào)，不僅可以實(shí)現(xiàn)建筑美觀、實(shí)用，而且在造價(jià)方面也有較大的節(jié)省，達(dá)到了建筑工程設(shè)計(jì)對(duì)適用、安全、經(jīng)濟(jì)、美觀和便于施工的一般要求，符合現(xiàn)今建筑商對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的效益的需求，也符合市場(chǎng)可持續(xù)發(fā)展的需求。

4.結(jié)束語(yǔ)

在社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)日益發(fā)展的今天，建筑行業(yè)的發(fā)展如火如荼，競(jìng)爭(zhēng)相當(dāng)激勵(lì)。人們對(duì)住房質(zhì)量的要求不斷提高，使得房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，成了建筑商互相競(jìng)爭(zhēng)的有力武器。它既是一項(xiàng)繁瑣復(fù)雜的工程，又對(duì)房屋的經(jīng)濟(jì)性、適用性和安全性起到至關(guān)重要的作用。房屋建筑工程中，房屋結(jié)構(gòu)工程占據(jù)總成本中很大一部分，先進(jìn)的、高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不但能都保證房屋的安全性能和適用性，而且可以在節(jié)約成本方面做出很大貢獻(xiàn)。因此，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)能夠節(jié)省房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成本，使建筑商獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)房屋建筑有著重要的意義。[科]