淺析結(jié)構(gòu)選型中的設(shè)計方法及問題

【摘 要】現(xiàn)階段，國內(nèi)對于高層建筑結(jié)構(gòu)選型的研究已經(jīng)是相對完善了，結(jié)構(gòu)選型在國內(nèi)早在80年代就有人研究，而且方法眾多，就此，本文結(jié)合筆者多年結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗，簡要闡述下結(jié)構(gòu)選型中的傳統(tǒng)設(shè)計方法與智能設(shè)計方法，并分別敘述各種方法的缺陷。

【關(guān)鍵詞】結(jié)構(gòu)選型；傳統(tǒng)設(shè)計；智能設(shè)計

1、傳統(tǒng)設(shè)計

1.1經(jīng)驗設(shè)計法

經(jīng)驗設(shè)計法就是主要由設(shè)計者憑借他們多年的設(shè)計經(jīng)驗在綜合各種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)缺點后得出的比較滿意的結(jié)構(gòu)型式。這是一種靠設(shè)計人員或決策者“拍腦袋”決定的經(jīng)驗設(shè)計方法。這種方法只適應(yīng)于早期結(jié)構(gòu)型式和建筑材料比較簡單的的時期。在這個時期一個設(shè)計師幾乎一個人就可以負(fù)責(zé)建筑設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工圖設(shè)計。因此結(jié)構(gòu)選型的問題并不是受到重視，但是隨著土木工程技術(shù)的發(fā)展，新材料、新理論、新方法、新技術(shù)、新思想的不斷發(fā)展，結(jié)構(gòu)的形勢變得越來越豐富，也越來越復(fù)雜，因此結(jié)構(gòu)選型的問題也日益突出。

1.2優(yōu)化設(shè)計法

自古以來，人們在工程實踐中已經(jīng)產(chǎn)生了方案優(yōu)選的思想，慎重的設(shè)計人員總是要研究幾種可能的方案，再從其中選擇最佳方案。結(jié)構(gòu)形式從梁演變?yōu)楣?、桁架、穹頂?shù)染褪侨藗冊陂L期的工程實踐中搜索與尋求重量輕、材料省、受力性能好的結(jié)構(gòu)形式中的經(jīng)驗總結(jié)。但是由于各方面因素的限制，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計一直沒有實現(xiàn)。隨著有限元方法的成熟和數(shù)學(xué)規(guī)劃理論的發(fā)展以及計算機(jī)的應(yīng)用，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計理論和方法自20世紀(jì)60年代以來取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計在結(jié)構(gòu)的截面優(yōu)化和形狀優(yōu)化方面已經(jīng)趨于成熟，在拓?fù)鋬?yōu)化和布局優(yōu)化方面也獲得了重要的進(jìn)展，但是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的高層次選型方面優(yōu)化卻遇到了困難和挑戰(zhàn)。目前國內(nèi)外學(xué)者主要是通過常規(guī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法--最優(yōu)準(zhǔn)則法或數(shù)學(xué)規(guī)劃法來解決結(jié)構(gòu)選型問題。但是從總體優(yōu)化效果來看研究成果的收效都不大，其主要原因是結(jié)構(gòu)選型是一個綜合性很強(qiáng)的半結(jié)構(gòu)化優(yōu)化決策問題，在選型過程中會遇到大量的不確定性信息，所以采用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)規(guī)劃法或最有準(zhǔn)則法對此類問題進(jìn)行求解自然會遇到很多不可克服的困難。

2、傳統(tǒng)設(shè)計法的缺陷

2.1設(shè)計周期長，設(shè)計效率低

要獲得最佳的結(jié)構(gòu)型式的理想辦法就是針對某一建筑方案，采用多種結(jié)構(gòu)形式方案分別單獨進(jìn)行設(shè)計，然后進(jìn)行各種力學(xué)性能能的分析和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的綜合比較，確定一個最佳方案，這樣雖可以得到一個與建筑規(guī)模和環(huán)境條件相適應(yīng)的的較好的結(jié)構(gòu)形式，但是會給設(shè)計者帶來不可想象的工作量，并造成設(shè)計周期的延長和大量的人力、財力、物力的浪費，設(shè)計效率低下。

2.2容易造成結(jié)構(gòu)工程師創(chuàng)新性精神的缺乏

對于結(jié)構(gòu)師來說，結(jié)構(gòu)的安全性始終是第一位的。也正因為如此，從事結(jié)構(gòu)工程設(shè)計的時間一長，難免會產(chǎn)生思想保守、無事即安的傾向。一事當(dāng)前，往往消極應(yīng)付，不思創(chuàng)新。對于一般的工程項目，結(jié)構(gòu)選型與布置在建筑方案中已大致確定，結(jié)構(gòu)計算可套用公式，結(jié)構(gòu)要求可照搬規(guī)范，價值有商業(yè)化的計算機(jī)軟件輔助，還有什么會讓設(shè)計者費盡心思而不得其解的問題呢？一個技術(shù)性責(zé)任性很強(qiáng)的職業(yè)，如果長期從事低級別勞動，那么疏于學(xué)習(xí)不求上進(jìn)是難免的。

2.3缺乏計算機(jī)的輔助

目前的 CAD 系統(tǒng)主要是面向施工圖設(shè)計階段，缺乏對概念設(shè)計和初步設(shè)計的輔助支持。然而真正具有設(shè)計內(nèi)涵的、最活躍的、也最能體現(xiàn)設(shè)計師個性和創(chuàng)新性的設(shè)計階段是概念設(shè)計，在這個階段有分析也有綜合，有邏輯思維也有形象思維，有沖突也有妥協(xié)；此外這個階段的不確定和未確知的因素十分活躍。結(jié)構(gòu)選型也正處于這樣一個設(shè)計階段，可是目前尚沒有任何 CAD 系統(tǒng)可以提供結(jié)構(gòu)選型方面的支持，因為現(xiàn)在的CAD系統(tǒng)缺乏人類設(shè)計師所具有的邏輯推理能力、形象思維能力、靈感和創(chuàng)造性，而施工圖設(shè)計階段很難或不能糾正概念設(shè)計階段的缺陷，因而這嚴(yán)重的影響了工程設(shè)計的效率和進(jìn)度。

3、智能設(shè)計

3.1人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法不僅擁有分布式存儲信息與并行處理評價信息的優(yōu)點，而且還具有較強(qiáng)的自學(xué)習(xí)與聯(lián)想記憶功能。將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入結(jié)構(gòu)選型中，分析影響結(jié)構(gòu)選型的重要因素和各種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特點，選著一種最適合的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并且確定其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。利用 MATLAB 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱構(gòu)建結(jié)構(gòu)選型模型，并利用 MATLAB 語言編制可視化界而，從而使結(jié)構(gòu)選型過程更加簡單。將工程的基本信息作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本，建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，對其進(jìn)行訓(xùn)練、優(yōu)化。經(jīng)檢驗訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)模型性能良好達(dá)到了智能預(yù)測的目的。

3.2基于實例基因庫與遺傳算法

首先，給出了將工程實例庫轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)選型規(guī)則庫與實例基因庫的方法，建立實例空間、規(guī)則空間、基因空間及三者間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，實現(xiàn)了從實例到選型規(guī)則與基因間的轉(zhuǎn)換；其次，給出了從實例基因庫與基因空間中發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)型式判別規(guī)則知識庫的策略，提出了基因向量與正反實例基因庫間的相似性度量法，建立了基于實例基因庫與實數(shù)碼遺傳算法的結(jié)構(gòu)選型知識庫發(fā)現(xiàn)過程與方法；最后，編制了基于實例基因庫與遺傳算法的知識發(fā)現(xiàn)程序，給出了所獲取的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)型式產(chǎn)生的知識。實踐證明，該方法有效地從實例基因庫中獲取結(jié)構(gòu)型式產(chǎn)生的規(guī)則性知識庫，為開采工程實例“富礦”、解決知識獲取“瓶頸”、提高結(jié)構(gòu)選型質(zhì)量與效率等提供了新的途徑與方法。

3.3基于模糊推理系統(tǒng)（FIS）的智能評價方法

該方法主要是以隸屬函數(shù)表示和存儲領(lǐng)域?qū)＜业脑u價知識和經(jīng)驗，以模糊規(guī)則表示評價策略，以關(guān)系生成規(guī)則表示輸入與輸出間的模糊蘊涵關(guān)系，以推理合成規(guī)則確定推理結(jié)果，以去模糊化方法對結(jié)果進(jìn)行量化處理。該方法具有能直觀地表征與處理領(lǐng)域?qū)＜以谛阅茉u價時，以語言變量形式表達(dá)的評價知識與策略等優(yōu)點，并能像神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一樣逼近任意的非線性問題。但當(dāng)規(guī)則較多時，推理時間較長，且其自學(xué)習(xí)能力較差，推理層次較多時易出現(xiàn)“模糊爆炸”現(xiàn)象?？赏ㄟ^與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的方法來提高其自學(xué)習(xí)能力及解決其“模糊爆炸”現(xiàn)象。

3.4基于模糊推理與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANNF）的智能評價方法

將模糊推理與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，取長補短，構(gòu)建新的性能評價方法，是智能評價系統(tǒng)的發(fā)展方向。其結(jié)合的方式主要有 4 種網(wǎng)：即二者的簡單結(jié)合（包括松散型、串聯(lián)型、并聯(lián)型及混聯(lián)型）、用模糊推理增強(qiáng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)的模糊推理（包括網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)型、知識擴(kuò)展型及以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代替模糊規(guī)則實現(xiàn)模糊推理等）、模糊邏輯與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的完全融合等。上述方法兼有模糊推理直觀、高效的表征、存儲與處理領(lǐng)域?qū)＜医?jīng)驗與知識，及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能從訓(xùn)練樣本中自動獲取知識及并行計算的優(yōu)點。

4 、智能設(shè)計方法存在的問題

4.1專家系統(tǒng)

專家系統(tǒng)主要利用與基于顯示表達(dá)的領(lǐng)域知識模型進(jìn)行問題求解，模型知識及其獲取是專家系統(tǒng)的核心，專家系統(tǒng)擁有的知識越多、質(zhì)量越高，解決問題的能力也就越強(qiáng)。但是，結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗是領(lǐng)域?qū)＜覀冊陂L期設(shè)計實踐中積累起來的啟發(fā)性知識，一般說來，這些經(jīng)驗性的知識沒有很好的結(jié)構(gòu)、主觀性強(qiáng)、不易獲取，隨著大型專家系統(tǒng)的出現(xiàn)，這種情況越來越嚴(yán)重的影響和制約著專家系統(tǒng)的發(fā)展，知識獲取已成為開發(fā)專家系統(tǒng)的“瓶頸”問題。

4.2推理技術(shù)

推力技術(shù)不能全面地反映專家在解決建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時的思維過程，許多專家的推理活動并未在專家系統(tǒng)的推理網(wǎng)洛中得到恰當(dāng)?shù)姆从?，而讓專家?zhǔn)確的描述其利用判斷、經(jīng)驗、直覺等進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程是一件十分困難的事。面對日益復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計問題，基于模型的推理系統(tǒng)在大規(guī)模信息處理、維護(hù)、運行預(yù)研制等方面面臨著不可克服的困難，基于規(guī)則的推理系統(tǒng)面臨著推理鏈增加所帶來的推理有效性降低等問題，而基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的專家系統(tǒng)因不能給出其結(jié)果的依據(jù)，從而降低了其結(jié)果的可信度。

5、結(jié)語

綜上所述，高層建筑結(jié)構(gòu)選型是一個非常復(fù)雜的決策問題，具有強(qiáng)烈的綜合性，其影響因素具有隨機(jī)性、模糊性和未確知性。因此，是否能優(yōu)選高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)的型式，成為結(jié)構(gòu)設(shè)計人員工作中的重點考慮對象。