芻議房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的應(yīng)用

周宏偉

(淮安市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，223600)

近年來(lái)，由于土地價(jià)格市場(chǎng)的變化，不斷上漲的土地價(jià)格給開(kāi)發(fā)商的建筑總成本控制帶來(lái)了極大的壓力，同時(shí)，人們對(duì)于居住條件及生活環(huán)境的要求不斷提高，相應(yīng)建筑產(chǎn)品的品質(zhì)要求也就不斷提高，這就讓開(kāi)發(fā)商不斷尋求新的手段滿足顧客需求，而降低工程造價(jià)就成為開(kāi)發(fā)商追求的直接目標(biāo)，這就需要我們利用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)方法，提高有限空間 有限資源的最大化效果發(fā)揮，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)化 實(shí)用性和適用性的良好目標(biāo)。

1 房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的概念

建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的具體內(nèi)容為：

1.1建設(shè)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。在建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，數(shù)學(xué)模型在其中可以發(fā)揮巨大作用，因此，通過(guò)建設(shè)一個(gè)科學(xué)合理的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型可以實(shí)現(xiàn)對(duì)原有的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析的目的，從而可以使設(shè)計(jì)結(jié)果更加優(yōu)化。

1.2滿足建筑質(zhì)量安全。一般來(lái)說(shuō)，建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的是滿足房屋建筑的基本功能需求和舒適度要求，滿足建筑質(zhì)量安全和美觀度要求，對(duì)房屋建筑結(jié)構(gòu)造價(jià)進(jìn)行控制。根據(jù)建筑設(shè)計(jì)的總體要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要盡量減小質(zhì)量中心和剛度中心的差異，保證建筑在水平荷載的作用下不會(huì)產(chǎn)生很大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。建筑平面結(jié)構(gòu)盡量采用對(duì)稱和規(guī)則方式，在滿足建筑相應(yīng)的功能條件下，使豎直方向上相應(yīng)的承重構(gòu)件保持上下貫通。

1.3選取最科學(xué)的優(yōu)化數(shù)學(xué)算法。當(dāng)在第一步已經(jīng)建立優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型之后的情況下，這時(shí)就需要最科學(xué)合理的優(yōu)化數(shù)學(xué)算法和優(yōu)化迭代控制來(lái)解決接下來(lái)所遇到的問(wèn)題，在第二步的過(guò)程中，設(shè)計(jì)者會(huì)面臨著重要的選擇，那就是要在多種優(yōu)化數(shù)學(xué)方法中能夠及時(shí)有效地選取最科學(xué)的優(yōu)化數(shù)學(xué)算法，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的設(shè)計(jì)效果。

2 房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法建立模型的步驟

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型是選擇結(jié)構(gòu)中影響變量的主要參數(shù)來(lái)建立相應(yīng)的函數(shù)模型。這種模型的建立能夠運(yùn)用科學(xué)、合理的計(jì)算方法得出較好的優(yōu)化方案。建立模型需要?jiǎng)澐譃槿齻€(gè)步驟。

2.1確立設(shè)計(jì)變量參數(shù)。變量的選擇對(duì)最終設(shè)計(jì)方案的確定有著重要的數(shù)據(jù)參考意義。建立模型首先要對(duì)設(shè)計(jì)中變量的參數(shù)進(jìn)行篩選，選擇對(duì)總體結(jié)構(gòu)有較大影響，變化幅度小，考慮因素少的參數(shù)錯(cuò)位參考指標(biāo)，降低結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算的工作難度。

2.2確定相關(guān)目標(biāo)函數(shù)。然后對(duì)工程中各種參數(shù)進(jìn)行按照重要性進(jìn)行屬性劃分，將影響不大的參數(shù)定為預(yù)定參數(shù)，減少函數(shù)模型中的計(jì)算量。確定目標(biāo)函數(shù)后，找出符合條件的最優(yōu)解。然后根據(jù)房屋結(jié)構(gòu)的應(yīng)力約束、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度約束、裂縫寬度約束等一系列約束條件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證結(jié)構(gòu)的合理性。

2.3衡量條件。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案涉及到多個(gè)變量和多個(gè)約束條件，可變較大。約束條件包括房屋尺寸、架構(gòu)穩(wěn)定性、受力限度、變形限度結(jié)構(gòu)可塑性程度等，設(shè)計(jì)者要根據(jù)房屋建造規(guī)條把施工的約束條件和目標(biāo)確定的約束條件進(jìn)行比較和分析，保證各種條件符合相關(guān)規(guī)定，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)優(yōu)化的過(guò)成中要化繁為簡(jiǎn)，將約束條件轉(zhuǎn)換成約束條件進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算方法常有符合型法、以及Powell 法等。計(jì)算的過(guò)程中編制相應(yīng)的運(yùn)算程序進(jìn)行輔助優(yōu)化，最終得到最優(yōu)化的結(jié)果。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法應(yīng)用于實(shí)踐之中，是目前一個(gè)比較廣泛的課題，利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法在不改變適用性能的前提下達(dá)到降低工程造價(jià)的目的。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用于項(xiàng)目的整體設(shè)計(jì)、前期設(shè)計(jì)，舊房改造，抗震設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)的各分部環(huán)節(jié)，發(fā)揮著巨大的效益。在按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法及模型進(jìn)行實(shí)踐的過(guò)程中，要注意下面的幾個(gè)問(wèn)題。

3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化應(yīng)注意前期參與。因?yàn)榍捌诜桨傅拇_定直接影響建筑的總投資，而現(xiàn)在存在的普遍問(wèn)題就是前期方案階段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并不進(jìn)行參與，建筑師進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時(shí)大多并不考慮結(jié)構(gòu)的合理性以及它的可行性，但是建筑設(shè)計(jì)的結(jié)果卻直接對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造成影響，某些方案可能會(huì)增加結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度，并使得建筑的總投資提高。如果在方案的初期，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)就能參與進(jìn)來(lái)，那么我們就能針對(duì)不同的建筑類別，選擇合理的結(jié)構(gòu)形式，合理的設(shè)計(jì)方案，獲得一個(gè)良好的開(kāi)端。

3.2下部地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化。地基基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化首先要選擇合適的方案，如果為樁基礎(chǔ)，那么要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件選擇樁基類型，盡量節(jié)省造價(jià)。樁端持力層對(duì)灌注樁樁長(zhǎng)的選擇影響很大，應(yīng)多進(jìn)行比較以確定最合適的方案。

4 房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的意義

4.1優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證結(jié)構(gòu)功能性。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠根據(jù)工程的需求對(duì)結(jié)構(gòu)造型、受力性能、結(jié)構(gòu)材料等進(jìn)行優(yōu)化配置。比如選擇圓形、方形的結(jié)構(gòu)進(jìn)行方面平面設(shè)計(jì)能夠增加結(jié)構(gòu)的受力性能。因此，工程結(jié)構(gòu)的優(yōu)化技術(shù)，是工程實(shí)現(xiàn)既經(jīng)濟(jì)又安全，既美觀又實(shí)用的途徑。

4.2節(jié)約造價(jià)。建筑工程造價(jià)控制是保證企業(yè)經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)的關(guān)鍵因素。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠降低15%到30%的工程造價(jià)，具有實(shí)際的經(jīng)濟(jì)性。房屋建筑大多是多層建筑，甚至很多都是高層建筑，層數(shù)的增加會(huì)因?yàn)榻ㄖ娣e的增加而增加投資。層數(shù)增加對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的要求也隨之增加，為了保證結(jié)構(gòu)的安全性，承重墻、梁、柱的承載等級(jí)和抗震性能都要隨之增加，因而提高了房屋的造價(jià)。合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的空間和層面，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的各種性能，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受力性增加、抗震性增加不斷可以減少結(jié)構(gòu)所需物料，還能減少基礎(chǔ)和裝修物料，達(dá)到統(tǒng)一協(xié)調(diào)的目的，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)安全。

5 房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的注意事項(xiàng)

選擇合適的結(jié)構(gòu)類型。不同的房屋建筑工程由不同的結(jié)構(gòu)形式。常見(jiàn)的類型主要包括短肢剪力墻結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、框架—剪力墻結(jié)構(gòu)。這三種類型各具特色、各具優(yōu)缺點(diǎn)，在選擇類型的過(guò)程中要充分結(jié)合房屋功能需求以及工程的經(jīng)濟(jì)能力，在保證質(zhì)量的前提下平衡投資和收益，保證工程利益的最大化。短肢剪力墻結(jié)構(gòu)大多運(yùn)用于高層建筑中，主要特點(diǎn)是以混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程為依據(jù)，對(duì)鋼筋數(shù)量要求不高，對(duì)剪力墻抗震要求較高; 框架結(jié)構(gòu)對(duì)空間的優(yōu)化效果最為顯著，空間大、不僅靈活、造價(jià)低。但是抗震能力較低，柱截面較大，形成的柱角凸出部位會(huì)影響家具的擺放; 框架—剪力墻結(jié)構(gòu)是合理布置一定數(shù)量的剪力強(qiáng)，有較好的抗側(cè)力，還能增強(qiáng)適用性和合理性。

6 結(jié)束語(yǔ)

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)選型和布置對(duì)整個(gè)建筑工程是否能保證安全、經(jīng)濟(jì)、適用都非常重要，一定要對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的承載能力、抗震性能、內(nèi)力傳遞、剛度、側(cè)移要求等掌握透徹，才能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全性、合理性、經(jīng)濟(jì)性的整體最優(yōu)實(shí)現(xiàn)。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法可以使房屋更加堅(jiān)固美觀，能夠滿足人們對(duì)建筑產(chǎn)品的品質(zhì)要求不斷提高。

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