建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

范國興

(延安大學(xué)西安創(chuàng)新學(xué)院，陜西西安 710100)

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，時(shí)代的進(jìn)步，使建筑市場(chǎng)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)變得異常激烈。市場(chǎng)的激烈給企業(yè)以巨大的壓力，為了能在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中拔得頭籌，為了能使業(yè)主得到性能較好、安全性高、外觀美觀的房屋建筑，各企業(yè)必須對(duì)施工以及設(shè)計(jì)方面進(jìn)行相應(yīng)地深入性研究。在房屋建筑領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)上的投入是整體投入中較多的部分，所占比重相對(duì)較高。不斷地對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化可以使房屋質(zhì)量安全得以保證，還能減少相應(yīng)項(xiàng)目資金的投入，進(jìn)而增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)收入與相關(guān)收益。以下將對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)的優(yōu)化方式及其在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的具體應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)性闡述，以供相關(guān)人士進(jìn)行參考。

一 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方式的理論體現(xiàn)

在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，我們不僅需要考慮其安全性、可靠性以及基本功能的健全性，還要考慮建筑本身的美感與藝術(shù)感，這就是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的相應(yīng)體現(xiàn)。從理論上對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)優(yōu)化方式進(jìn)行分析，我們可知，建筑結(jié)構(gòu)的的設(shè)計(jì)優(yōu)化方式在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，主要體現(xiàn)在房屋工程總體的優(yōu)化還有房屋工程分層結(jié)構(gòu)的優(yōu)化上。

對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)，我們需要盡量減少質(zhì)量中心和建筑剛度中心的相關(guān)性差異，而且建筑整體的平面結(jié)構(gòu)要保持對(duì)稱性和規(guī)則性，但是這些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理念要基本上滿足建筑設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)要求。在滿足建筑物本身的功能下，在垂直方向的設(shè)計(jì)要盡量讓同方向的相應(yīng)承重構(gòu)件達(dá)到上下相通;而且為了降低在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的難度，要盡量減少轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的使用。在垂直方向的設(shè)計(jì)上還得充分考慮剛度的相關(guān)要求，剛度的變化要保持簡(jiǎn)便性而不是突變性，否則一旦出現(xiàn)剛度的突變會(huì)嚴(yán)重影響建筑結(jié)構(gòu)在抵抗水平方向上的動(dòng)力載荷作用。

二 房屋建筑領(lǐng)域結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方式的重要性

我國的發(fā)展現(xiàn)狀表明，房屋建筑在以后的日子里將會(huì)以高層或是超高層為主。如何減少資金的投入而且還得保證結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)符合百姓的要求成為相關(guān)人士以及建筑企業(yè)重視的事情。

如果相關(guān)企業(yè)要想對(duì)房屋建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)方應(yīng)該在保證質(zhì)量合格的前提下，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行系統(tǒng)化分析，應(yīng)用先進(jìn)的技術(shù)理念與設(shè)計(jì)觀念對(duì)工程建筑進(jìn)行總體的管理，從而合理地控制建筑工程的造價(jià)問題。事實(shí)表明，如果設(shè)計(jì)者能將施工的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)效益做到緊密相連，規(guī)劃出科學(xué)的設(shè)計(jì)方案，就可以保證建筑企業(yè)獲得最大的經(jīng)濟(jì)收益。

因此，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)優(yōu)化能夠更加全面地發(fā)揮機(jī)械設(shè)備以及建筑材料的性能，與以往的設(shè)計(jì)相比較會(huì)更具有優(yōu)勢(shì)。而且進(jìn)行合理優(yōu)化時(shí)能夠降低相應(yīng)的造價(jià)投入，為企業(yè)的整體獲取更大化的利益。同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化還能將房屋結(jié)構(gòu)的層次進(jìn)行系統(tǒng)性的結(jié)合，加強(qiáng)房屋質(zhì)量的提高，更大程度地保證居民的居住安全。由此看來，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化是提高居民居住安全、為企業(yè)創(chuàng)造最大利益的重要方式之一。

三 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方式在現(xiàn)實(shí)建筑領(lǐng)域的實(shí)際意義

作為相關(guān)人士，我們要了解對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的科學(xué)性優(yōu)化對(duì)房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是具有十分重要意義的。這樣不僅能夠增強(qiáng)建筑的實(shí)用性與美觀感，而且還能最大化地控制建筑工程的總體造價(jià)。每一位建筑商都希望用最少的價(jià)錢獲得最大的收益，而且還希望能夠保證建筑結(jié)構(gòu)的安全與可靠性，這就必然要求對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)性優(yōu)化。

談及現(xiàn)實(shí)意義就需要與傳統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，將建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠有效地減少工程的整體造價(jià)，能將整體內(nèi)部結(jié)構(gòu)每個(gè)層次都達(dá)到科學(xué)化的平衡，并且能夠?qū)⒔ㄖ牟牧线M(jìn)行最合理的、最高效化的利用。從現(xiàn)實(shí)角度能夠保證建筑的相關(guān)安全性，還能達(dá)到對(duì)建筑結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。

四 建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化方式在房屋建設(shè)應(yīng)用上的具體步驟

1.創(chuàng)建建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化模型。

(1)合理化、科學(xué)化選擇設(shè)計(jì)的變量。

在選擇相應(yīng)的變量的時(shí)候，我們主要是將影響建筑本身結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)作為變量。例如嚴(yán)格控制目標(biāo)的相關(guān)參數(shù)值(建筑損失的期望值c2、建筑結(jié)構(gòu)造價(jià)值c1)、建筑約束控制的相關(guān)參數(shù)值(建筑結(jié)構(gòu)的相對(duì)可靠度ps)等。對(duì)于一些影響并不是太大的、變化范圍很小或者由局部性相關(guān)要素就能滿足設(shè)計(jì)要求的一部分參數(shù)，我們一般是通過預(yù)定式參數(shù)進(jìn)行表示，這樣一來就能減少我們相應(yīng)的設(shè)計(jì)數(shù)量與計(jì)算數(shù)量，還可以相應(yīng)的減少編程的工作量，進(jìn)而提升工作效率。

(2)確定相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)。

對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，必須找到一組符合預(yù)定條件的相應(yīng)尺寸的鋼筋截面面積，以及已經(jīng)失效的概率函數(shù)，這樣能使建筑工程的整體造價(jià)達(dá)到最少。

(3)科學(xué)化的確定約束條件。

對(duì)于結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，我們要保證結(jié)構(gòu)整體的可靠性，科學(xué)化地確定與優(yōu)化設(shè)計(jì)方面息息相關(guān)的約束條件。而約束條件主要指的是建筑裂縫的寬度約束、建筑本身的強(qiáng)度約束、尺寸大小的約束、構(gòu)件的相關(guān)約束、結(jié)構(gòu)體系相關(guān)約束等約束條件。在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)之時(shí)，要對(duì)目標(biāo)性質(zhì)的約束條件與實(shí)際性質(zhì)的約束條件進(jìn)行科學(xué)化的比較與分析，要保證每一個(gè)相關(guān)的約束條件都滿足整個(gè)建筑工程的要求，實(shí)現(xiàn)效果最佳化的設(shè)計(jì)。

2.科學(xué)設(shè)定優(yōu)化設(shè)計(jì)的相關(guān)方案。

依據(jù)可靠度而開始進(jìn)行房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化通常都具有很多約束條件，有時(shí)會(huì)遇到非線性的相關(guān)優(yōu)化問題。所以在相應(yīng)的計(jì)算中，會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，將有約束的優(yōu)化轉(zhuǎn)化成無約束的優(yōu)化，而相關(guān)的計(jì)算、方式有拉式乘子法、powell法等。

3.設(shè)計(jì)相關(guān)應(yīng)用程序。

依據(jù)可靠度而開始進(jìn)行房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化基本模型，以及在設(shè)計(jì)時(shí)運(yùn)用的相應(yīng)的計(jì)算方式，為了可以更好地實(shí)現(xiàn)其效果，能夠?qū)⑦@些編纂成一個(gè)運(yùn)算速度較快而且功能全面的綜合性、科學(xué)性的應(yīng)用程序。這樣能使整個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)更加全面地、有效率地進(jìn)行實(shí)施。

4.綜合結(jié)果分析。

在得出一定的計(jì)算結(jié)果之后要對(duì)其進(jìn)行一個(gè)必要性的分析和比較，然后再折中選擇一個(gè)效果最佳的設(shè)計(jì)方案。在分析的過程中，我們務(wù)必要全面考慮相關(guān)的問題，而且對(duì)相應(yīng)的問題要多角度分析。這一步在整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中是至關(guān)重要的，選擇一個(gè)合理的設(shè)計(jì)方案能夠保證房屋建筑整體的美觀感、安全性以及實(shí)用合理性，同時(shí)還能影響工程整體施工的資金投入。進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的相關(guān)優(yōu)化，我們要確定一點(diǎn)，不能只強(qiáng)調(diào)相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)節(jié)約而忽略對(duì)建筑技術(shù)的要求;同樣也不能僅僅強(qiáng)調(diào)技術(shù)的要求而忽略經(jīng)濟(jì)節(jié)約的要求，單一的考慮永遠(yuǎn)是不正確的，而且都是對(duì)建筑整體影響較為巨大的。所以，在進(jìn)行分析時(shí)，要同時(shí)考慮二者的科學(xué)化配置，只有這樣才能達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。

五 在房屋建筑領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方式的具體應(yīng)用

1.房屋建筑的整體性與局部性優(yōu)化。

建筑在設(shè)計(jì)上都具備著相應(yīng)的層次性和復(fù)雜性的特點(diǎn)。從層次性角度講，包含著建筑的整體設(shè)計(jì)體系、結(jié)構(gòu)相關(guān)體系、安裝體系等，每一個(gè)單獨(dú)的體系又包含了眾多的下屬體系。在對(duì)房屋進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者要對(duì)每一個(gè)下屬系統(tǒng)地進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，沖破關(guān)聯(lián)的橫向性，實(shí)現(xiàn)疊加型工程;對(duì)于復(fù)雜性來講，主要包含選取建筑的材料、選取建筑的零部件等。因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)要從整體入手，才能真正實(shí)現(xiàn)整體的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

2.建筑壽命優(yōu)化與階段性優(yōu)化。

在工程的使用年限內(nèi)，對(duì)每一階段都要進(jìn)行相應(yīng)的方案優(yōu)化。房屋的設(shè)計(jì)者要考察各個(gè)階段的特點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化方式的確定，從而可以對(duì)工程的整體壽命進(jìn)行科學(xué)的優(yōu)化。這樣，既保證了建筑質(zhì)量，又提高了建筑企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

3.樁基礎(chǔ)的具體優(yōu)化。

建筑中的樁基礎(chǔ)能夠分為灌注樁和預(yù)制樁。灌注樁在整體施工時(shí)的質(zhì)量較為難控制，而且操作的技巧復(fù)雜，時(shí)間還較長(zhǎng)。因此在沉降符合標(biāo)準(zhǔn)的前提下，要加入預(yù)制樁的施工，從而減少相應(yīng)的工序。而且要注意，在伴隨著樁基不斷加深，土壤本身對(duì)裝機(jī)的摩擦逐漸增大，務(wù)必要選擇較長(zhǎng)的預(yù)制樁。

4.對(duì)建筑主體上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行的科學(xué)性優(yōu)化。

房屋建筑的上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)建立相應(yīng)的模型并進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化。整個(gè)過程最先一步就應(yīng)當(dāng)合理地設(shè)置剪力墻，保證剪力墻整體的質(zhì)量是均勻的，這樣能將樓層中平面剛度的中心點(diǎn)重合于樓層整體的結(jié)構(gòu)重心，從而減少地震或者風(fēng)力等對(duì)其的破壞性。在房屋建設(shè)時(shí)，如果條件允許，要盡可能地對(duì)剪力墻進(jìn)行大開間的構(gòu)造，加長(zhǎng)剪力墻的墻肢長(zhǎng)度，這樣就能減少墻肢的數(shù)量，還能在符合標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上減少混凝土的使用。另外，剪力墻里的暗柱是拿一般性鋼材鑄造而成，如果采用較大的剪力墻就可以減少相對(duì)的鋼筋使用數(shù)量，減少相應(yīng)的成本。然而如果建筑的本身不具有相應(yīng)的條件，而且對(duì)于抗震抗壓的要求較高，就不得構(gòu)造過大的剪力墻。

5.結(jié)構(gòu)優(yōu)化與建筑優(yōu)化保持協(xié)調(diào)。

對(duì)于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要保證建筑的整體結(jié)構(gòu)與整體平面緊密配合，這樣能實(shí)現(xiàn)建筑本身的美觀與結(jié)構(gòu)的相應(yīng)合理性的效果。對(duì)于建筑系統(tǒng)來講要保證簡(jiǎn)潔，墻體與支柱不能有錯(cuò)位的現(xiàn)象，高度要與截面的面積相通。在樓體設(shè)計(jì)時(shí)，自身受力較多的轉(zhuǎn)角區(qū)域，要選擇高強(qiáng)建材做為承重的材料，從而能夠更好地降低自重。對(duì)于整體來講要保證重心、剛心、質(zhì)心三者正確交疊，防止扭轉(zhuǎn)的狀況出現(xiàn)。

6.結(jié)構(gòu)優(yōu)化與排水系統(tǒng)優(yōu)化保持協(xié)調(diào)。

在房屋建筑中排水系統(tǒng)的專用房間里有著很多的機(jī)械設(shè)備，對(duì)于荷載能力、荷載強(qiáng)度較大。所以要將其設(shè)置在地下室，而且保證管道的預(yù)留尺寸與預(yù)留深度要符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于樓板本身的鉆孔位置要加固。另外，要注意水平方向的管線可能會(huì)貫穿柱或梁的情況，要盡可能降低這種現(xiàn)象發(fā)生的機(jī)率。如果管道在建設(shè)時(shí)穿過了承重墻，就必須對(duì)墻體進(jìn)行加固。在整體上盡可能地保證結(jié)構(gòu)的設(shè)置與管道網(wǎng)相協(xié)調(diào)，預(yù)防管道出現(xiàn)繞柱或繞梁的現(xiàn)象。

7.結(jié)構(gòu)優(yōu)化與電氣優(yōu)化保持協(xié)調(diào)。

電氣管線的安裝是以導(dǎo)線的形式裝在金屬管體的外部或者墻體、樓板的地方。這樣安裝有可能給預(yù)制的結(jié)構(gòu)施工造成相對(duì)的困難。所以要注意，如果想要管線穿過梁體，要提前在梁體上預(yù)留相應(yīng)的孔洞，并且要保證梁體的寬度與相應(yīng)的墻體的寬度相同。如果出現(xiàn)不相同的情況，就必須讓墻體的一面與梁體的一面相齊，保證管線不得漏在墻體的表面。在整個(gè)房屋的建筑上，電梯部分肯定會(huì)有很多的空洞，埋下的建筑構(gòu)件較多，這樣就要求設(shè)計(jì)者應(yīng)該單獨(dú)對(duì)電梯部分的建筑進(jìn)行分析與計(jì)算，保證設(shè)計(jì)的合理性與安全性，確保施工的質(zhì)量是過關(guān)的。

通過對(duì)房屋結(jié)構(gòu)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方式的討論，我們可以知道，科學(xué)地對(duì)建筑整體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化能夠切實(shí)保證建筑本身的功能，而且能夠控制和管理工程整體的資金投入。建筑方與開發(fā)商在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上不得過分注重經(jīng)濟(jì)效益?？恐s減建筑材料的使用、降低建筑質(zhì)量的標(biāo)注、削弱建筑技術(shù)能力等方法減少資金的投入，使建筑的質(zhì)量或者其他方面達(dá)不到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，這一點(diǎn)是必須值得注意的。對(duì)房屋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化有著最基本的目的，就是保證建筑本身的功能，提高建筑主體的質(zhì)量，提升建筑的環(huán)保能力，增加建筑企業(yè)的經(jīng)濟(jì)收益。如果要想達(dá)到這樣的一個(gè)目標(biāo)，就需要房屋建筑的設(shè)計(jì)者積極提高自我的知識(shí)水平，要在原有的基礎(chǔ)上開拓創(chuàng)新，主動(dòng)為人民居住的房屋提供安全性的保障。因此，筆者認(rèn)為建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方式在整個(gè)房屋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用是有著非常重要的地位的，是值得每個(gè)設(shè)計(jì)者深思的。

［1］鄒俊.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用［J］.科技傳播，2010.

［2］孫有果.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用探討［J］.科技致富向?qū)В?011.

［3］王也.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.中華民居，2013.

［4］萬年春.淺論建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.城市建設(shè)理論研究，2013.

［5］周漢杰.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.中華民居，2014.

［6］王光遠(yuǎn).工程結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)用方法［M］.中國建筑工業(yè)出版社，2007.

［7］張紅友.優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減少建筑投資成本［J］.陜西建筑，2008.

［8］佟月強(qiáng)，郝明.試論結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)及在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.工程技術(shù)，2012.

［9］鄒俊.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用［J］.應(yīng)用技術(shù)，2010.

［10］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［J］.中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2011.