淺議建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的方法

朱國偉

摘 要：文章通過對房屋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法的介紹，幫助設(shè)計者改進(jìn)設(shè)計方法，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計水平，從而能夠合理利用空間資源，完成安全可靠、美觀實(shí)用的建筑房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。希望對相關(guān)工作提供借鑒。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計；設(shè)計優(yōu)化；方法

引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著物質(zhì)生活水平的不斷提高，人們的生活理念發(fā)生了巨大的變化。作為人們工作生活的場所，房屋建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計也成為人們關(guān)心的話題。在現(xiàn)代消費(fèi)觀念的影響下，房屋不再僅僅是供人居住辦公，遮風(fēng)擋雨的場所，同時還被賦予了滿足人們審美觀念的新功能。當(dāng)前，除了最基本使用功能外，建筑正在被開發(fā)出越來越多的新用途，同時也是人們實(shí)現(xiàn)審美追求，提高生活格調(diào)重要途徑。建筑設(shè)計師在設(shè)計房屋時，不僅要考慮房屋的使用功能，更要從美學(xué)角度考慮更多的內(nèi)容。只有二者協(xié)調(diào)統(tǒng)一，完美結(jié)合，同時滿足使用者在使用功能和審美要求上的雙重要求，才能成為受人青睞的建筑佳品。房屋建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計包含的內(nèi)容非常廣泛，其根本目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)功能完善、質(zhì)量可靠、符合人們審美情趣的設(shè)計方案。要達(dá)到這個目標(biāo)，需要持之以恒的長期學(xué)習(xí)和實(shí)踐，需要汲取其它優(yōu)秀設(shè)計方案的菁華，取長補(bǔ)短，融會貫通，不斷優(yōu)化設(shè)計方案，充分利用空間資源，最大程度地滿足房屋使用者的實(shí)際需要。

1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的內(nèi)涵

影響一座建筑物好壞的因素非常多。一般來講，人們對建筑物的評價來源于三個方面：外形、結(jié)構(gòu)和質(zhì)量。這些都和結(jié)構(gòu)設(shè)計密切相關(guān)。房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計，不僅僅是整個建筑工程賴以實(shí)施的基本根據(jù)，更是一個建筑能否充分實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能和目標(biāo)的根本保障，是整個建筑工程的核心要素。優(yōu)秀的房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，應(yīng)當(dāng)能夠在有效控制成本投入，降低施工難度的基礎(chǔ)上，充分利用城市中的空間資源和其它資源，大幅提升建筑物的實(shí)用功能和安全質(zhì)量。要取得優(yōu)秀的設(shè)計方案，需要對既有設(shè)計不斷進(jìn)行優(yōu)化改良，從而最大限度地實(shí)現(xiàn)使用者對房屋的功能要求、質(zhì)量要求和審美需要。同時，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)設(shè)計還能夠有效幫助建設(shè)者節(jié)約資金，降低建設(shè)成本。

2 實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的一般方法

單純從建筑角度來講，結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化主要分為房屋工程分部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計和總體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計兩種。一所房屋的設(shè)計建造，要根據(jù)具體情況，綜合考慮房屋建筑的人文要求、經(jīng)濟(jì)要求和周圍環(huán)境要求等。合理充分利用資源，實(shí)現(xiàn)各種要素的和諧共存，是建筑房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的基本理念。

2.1 建立結(jié)構(gòu)優(yōu)化的模型

實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，首先需要建立一個數(shù)學(xué)模型，重現(xiàn)房屋的各項指標(biāo)和影響因素間的復(fù)雜關(guān)系?？梢园凑找韵聨讉€步驟建立模型：

2.1.1 合理選擇設(shè)計變量

設(shè)計變量通常優(yōu)先選擇對建筑結(jié)構(gòu)影響大的參數(shù)，即和設(shè)計目標(biāo)直接相關(guān)的那些內(nèi)容，如損失的期望C2和結(jié)構(gòu)的造價C1等，還有和限制條件相關(guān)的因素，如結(jié)構(gòu)的可靠度PS等；為了減少設(shè)計量、計算量和編制程序的工作量，還可以把部分因素用預(yù)定參數(shù)來代表，這些參數(shù)通常具有影響細(xì)微、波動不明顯的特點(diǎn)，往往通過局部調(diào)整或結(jié)構(gòu)本身就能滿足相關(guān)要求。

2.1.2 確定目標(biāo)函數(shù)

出于建造成本的考慮，需要建立一組函數(shù)，通過這組函數(shù)可以準(zhǔn)確描述預(yù)定條件中截面幾何尺寸、鋼筋的截面積和相應(yīng)的失效概率之間的關(guān)系。

2.1.3 確定約束條件

房屋建筑安全可靠是房屋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計必須滿足的基本條件，以此出發(fā)可以確定優(yōu)化設(shè)計的約束條件。裂縫寬度、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、構(gòu)件的大小、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、結(jié)構(gòu)體系規(guī)格、可塑程度、確定程度等都是常見的約束條件。設(shè)計者要充分比較分析目標(biāo)約束條件和實(shí)際約束條件，確保每個目標(biāo)約束條件都有的放矢，符合實(shí)際，從而為設(shè)計優(yōu)化提供根本保障。

2.2 設(shè)定計算方案

以提高安全性、耐久性和適用性為目標(biāo)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，往往具有約束條件復(fù)雜、變量眾多、函數(shù)非線性的特點(diǎn)，為了方便分析計算，通常采用將有約束的優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換成無約束的優(yōu)化問題的方法求解。拉氏乘子法、復(fù)合形法、Powell 法等都是常用的優(yōu)化計算方法。

2.3 程序設(shè)計

由于計算量巨大，計算過程復(fù)雜，為提高結(jié)果準(zhǔn)確性和精度，通常利用程序來實(shí)現(xiàn)以提高安全性、耐久性和適用性為目標(biāo)的房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的計算過程。編寫的綜合程序要完全符合優(yōu)化設(shè)計模型和計算方案，并具有功能完整、用途齊全、運(yùn)轉(zhuǎn)高效等特點(diǎn)。

2.4 結(jié)果分析

結(jié)果分析是房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化過程中非常重要的一步，它直接關(guān)系到優(yōu)化設(shè)計方案的最終選擇。程序運(yùn)算的結(jié)果只是為房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化提供參考依據(jù)和備選方案，并非最終結(jié)果。由于上述模型函數(shù)主要體現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)成本上的優(yōu)化，在結(jié)果分析時，設(shè)計者需要把更多的因素納入思考范疇中，在詳細(xì)地比較分析基礎(chǔ)上，選擇出最佳的設(shè)計方案。前文已經(jīng)提到，現(xiàn)代社會的建筑，不僅要滿足實(shí)用功能，同時還需要滿足使用者的審美需求。造價成本和工程質(zhì)量不再是優(yōu)化設(shè)計的唯二標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計者需要從安全性、耐久性、使用功能、經(jīng)濟(jì)效益、施工要求、美觀程度，以及和周圍環(huán)境的和諧統(tǒng)一等方面進(jìn)行全方位多角度的考慮，要分析各種因素的影響，從使用者、建設(shè)方等多個角度考慮，綜合各方意見進(jìn)行比較。任何考慮上的偏頗和疏漏都有可能造成建筑設(shè)計上的缺陷，從而影響建筑的正常使用。必須平衡使用各種資源，才能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計的最優(yōu)化。

3 結(jié)束語

房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，本質(zhì)上是一次綜合所有影響的數(shù)據(jù)分析，對設(shè)計者的理論水平和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出了非常高的要求。房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計所需要達(dá)到的目標(biāo)，絕大多數(shù)情況下不是一個單一的指標(biāo)，而是一組指標(biāo)的組合。這些指標(biāo)往往互相影響，既是統(tǒng)一的，又是矛盾的，各有側(cè)重點(diǎn)，又相輔相成。設(shè)計者應(yīng)當(dāng)綜合考慮房屋的各種性能，選擇最有助于實(shí)現(xiàn)房屋建筑綜合效益的設(shè)計方案。在保障房屋安全和使用質(zhì)量的前提下，設(shè)計者要用于創(chuàng)新，大膽實(shí)踐，努力尋求更好的設(shè)計路線，應(yīng)用現(xiàn)代化設(shè)計工具，更好地實(shí)現(xiàn)房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

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