小議建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的研究與應(yīng)用

余承騁

中國(guó)建材國(guó)際工程集團(tuán)有限公司 廣東深圳 518054

摘要：一個(gè)建筑要達(dá)到精美的效果，設(shè)計(jì)師需要把其美觀設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊密結(jié)合起來(lái)。實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化是一個(gè)復(fù)雜而系統(tǒng)的過(guò)程，通常被歸入綜合決策的范疇。在實(shí)際優(yōu)化環(huán)節(jié)，既要考慮實(shí)用性和安全性，又要考慮經(jīng)濟(jì)性，還應(yīng)考慮整體效果，總之，要平衡各方面的關(guān)系。本文對(duì)建筑結(jié)構(gòu)空間利用率的優(yōu)化進(jìn)行了重點(diǎn)探討，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的理念進(jìn)行了闡釋和延伸，希望能對(duì)類似工程建設(shè)提供一些借鑒和幫助。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；優(yōu)化；方法；應(yīng)用

1.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的內(nèi)容及意義

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是對(duì)建筑工程總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，二是對(duì)建筑工程局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。其中，建筑工程局部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)的對(duì)象主要包括以下幾點(diǎn)：1）基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案；2）屋蓋系統(tǒng)方案；3）圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案；4）結(jié)構(gòu)細(xì)部等。對(duì)上述對(duì)象進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，通常還會(huì)涉及選型、受力分析以及造價(jià)分析等諸多內(nèi)容?？傊?，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化的過(guò)程中，不僅要嚴(yán)格依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范執(zhí)行，還應(yīng)充分結(jié)合建筑工程的具體情況，最終提高建筑工程的綜合經(jīng)濟(jì)效益。

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的意義主要在于兩點(diǎn)，一是提高建筑工程的安全性及可靠性，二是降低建筑工程的總造價(jià)。通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法應(yīng)用得當(dāng)?shù)那闆r下，能大幅降低建筑工程的總造價(jià)，最高可達(dá)30%。通過(guò)優(yōu)化方法的有效應(yīng)用，一方面能夠最大限度體現(xiàn)物質(zhì)的性能，另一方面能夠?yàn)橐?guī)劃的實(shí)際執(zhí)行提供一系列有用的參考資料。

2.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的應(yīng)用步驟

2.1建立結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化模型

對(duì)建筑整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，一般步驟如下：1）確定設(shè)計(jì)變量。所謂設(shè)計(jì)變量指的是可能會(huì)對(duì)建筑整體效果或者實(shí)用性產(chǎn)生影響的一系列參數(shù)，如目標(biāo)控制函數(shù)（以整體建筑結(jié)構(gòu)造價(jià)控制為代表），又或者約束控制參數(shù)（以整體建筑結(jié)構(gòu)的可靠度控制為代表）等。在實(shí)際選取過(guò)程中，應(yīng)對(duì)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)木?jiǎn)，不對(duì)那些相關(guān)性較小的參數(shù)進(jìn)行研究，如此一來(lái)，能夠大幅降低模型的計(jì)算強(qiáng)度，同時(shí)有效減少編程的工作量；2）建立目標(biāo)函數(shù)。目標(biāo)函數(shù)主要包括兩大方面，一是建筑的整體效果，二是建筑的整體實(shí)用性。尋找一組有效參量。這組參量既要滿足建筑使用功能，又要符合既定的結(jié)構(gòu)截面尺寸以及鋼筋截面積。從而保證求得的目標(biāo)函數(shù)值達(dá)到最優(yōu)；3）定義約束條件。通常，建筑結(jié)構(gòu)的約束條件涉及諸多內(nèi)容，既包括建筑的可靠度約束、強(qiáng)度約束，又包括應(yīng)力變形約束，還包括裂縫寬度約束等。在具體設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，應(yīng)保證加入約束條件的考量之后，實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足現(xiàn)行的設(shè)計(jì)規(guī)范，符合最優(yōu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。

2.2優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的選擇

通常情況下，有多種建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案可供選擇。進(jìn)行選擇時(shí)，常常將基于可靠度的方案列為重點(diǎn)考慮對(duì)象。對(duì)該種方案進(jìn)行實(shí)際計(jì)算時(shí)，既要面對(duì)關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜的多種變量，又要面對(duì)數(shù)量眾多的約束條件，再加上它們都屬于非線性問(wèn)題，所以，在計(jì)算過(guò)程中，通常先要將其轉(zhuǎn)化為無(wú)約束條件的線性問(wèn)題，然后求解。在上述一系列計(jì)算過(guò)程中，通?？梢圆捎萌缦聝煞N優(yōu)化計(jì)算方法：1）拉普拉斯算子法；2）復(fù)合形法。在選取具體算法的過(guò)程中，一方面要考慮算法的精度，另一方面要考慮算法的計(jì)算速率，總之，要對(duì)算法進(jìn)行綜合而全面的考慮，從而選定一個(gè)最佳的算法。

2.3具體的程序設(shè)計(jì)

當(dāng)確定具體的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案之后，便會(huì)進(jìn)入到具體的程序設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，即編制一個(gè)功能完備、運(yùn)算速率良好、綜合效果優(yōu)異的計(jì)算程序。程序設(shè)計(jì)將會(huì)涉及諸多內(nèi)容，其中最為主要的包括兩大方面，一是工程指標(biāo)的選取，二是建筑的功能需要。由于編程涉及廣泛且內(nèi)容繁復(fù)，本文不對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)論述[6]。

2.4結(jié)果分析

對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析是一個(gè)十分關(guān)鍵的過(guò)程，關(guān)系到整個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)化的成與敗，所以，在分析的過(guò)程中應(yīng)保證考慮的全面性，主要包括以下幾個(gè)方面：1）建筑結(jié)構(gòu)的成本；2）建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)用性；3）建筑結(jié)構(gòu)的整體空間效果。建筑結(jié)構(gòu)是一項(xiàng)復(fù)雜而系統(tǒng)的工程，再加上耗資較大，所以，在設(shè)計(jì)優(yōu)化的過(guò)程中，應(yīng)站在整體的角度進(jìn)行分析，無(wú)論是片面追求資金的節(jié)省，還是片面追求建筑實(shí)用性的增加都是不對(duì)的。總而言之，就是協(xié)調(diào)好技術(shù)和經(jīng)濟(jì)之間的關(guān)系，尋求二者之間的平衡，進(jìn)而展開合理的優(yōu)化[7]。

3.優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)在實(shí)踐中的應(yīng)用方法

在設(shè)計(jì)好優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案后，就可以將該理論方法應(yīng)用于實(shí)踐之中。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，是目前一個(gè)比較普遍的課題，要達(dá)到利用結(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，將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法應(yīng)用于實(shí)踐之中，這是我們建筑工程設(shè)計(jì)人員所追求的目標(biāo)。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)，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，下面就這幾個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)描述。

3.1參與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的前期工作

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)良好的開端。

3.2將概念設(shè)計(jì)和細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化

概念設(shè)計(jì)應(yīng)用于沒(méi)有具體數(shù)值量化的情況，例如地震設(shè)防烈度，因?yàn)樗牟淮_定性，計(jì)算式難免與現(xiàn)實(shí)有較大的差異，在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候就要采用概念設(shè)計(jì)的方法，把數(shù)值作為輔助和參考的依據(jù)。設(shè)計(jì)過(guò)程中需要設(shè)計(jì)人員靈活的運(yùn)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法，達(dá)到最佳的效果。

3.3優(yōu)化下部的地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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。

3.4建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)

概念設(shè)計(jì)就是利用設(shè)計(jì)概念并以其為主線貫穿全部設(shè)計(jì)過(guò)程的設(shè)計(jì)方法，整個(gè)設(shè)計(jì)中包含著設(shè)計(jì)者的感性和理性思維。概念設(shè)計(jì)通過(guò)使建筑結(jié)構(gòu)在遭遇到水平地震力作用下不會(huì)破壞，或者將對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞影響降到最低。因此對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)就要采取措施減小地震帶來(lái)的影響，減小地震產(chǎn)生影響的重要手段是需要結(jié)構(gòu)剛度均勻和對(duì)稱，結(jié)構(gòu)主體有足夠的延性，能夠有效地防止結(jié)構(gòu)在地震作用下發(fā)生脆性破壞。同時(shí)多道設(shè)防思想又能使次要的構(gòu)件在地震情況下先被破壞，從而使一部分地震能量得到消耗，在抗震設(shè)防中進(jìn)行多道防線設(shè)計(jì)，能有效的抵抗地震力作用。

3.5提高材料的利用率。結(jié)構(gòu)的效能設(shè)計(jì)主要考慮充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能，有效的減少結(jié)構(gòu)材料的消耗，達(dá)到“少費(fèi)多用”的目的。各種高強(qiáng)材料（高強(qiáng)度鋼筋、高強(qiáng)度混凝土等等）和各種輕型材料（如輕骨料混凝土、輕型隔墻、輕型墻板）的合理利用可以有效的減輕建筑結(jié)構(gòu)的自重，減小水平地震力的作用，減小基礎(chǔ)頂部荷載等等。

4.結(jié)語(yǔ)

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅能夠提高建筑結(jié)構(gòu)安全度和穩(wěn)定性，同時(shí)能夠有效降低建筑工程建設(shè)成本，使建筑工程效益得到有效的提高。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是在滿足規(guī)范要求、保證結(jié)構(gòu)安全和建筑產(chǎn)品品質(zhì)的前提下，通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)布置、科學(xué)的計(jì)算論證、適度的構(gòu)造措施，充分發(fā)揮材料性能。總而言之，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在當(dāng)前競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的建筑設(shè)計(jì)市場(chǎng)成為大勢(shì)所趨。

參考文獻(xiàn)：

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[2]杜明干.談結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的一些經(jīng)驗(yàn)[J].[J].2009-05-20