淺析建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

董云攀 王凱

【摘 要】結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)從本質(zhì)上講，是在很多個(gè)甚至無限多個(gè)可用方案和做法中找出最優(yōu)方案，即材料最省、造價(jià)最低、或某些指標(biāo)最佳的方案和做法。這樣的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)便由“分析與校核”發(fā)展為“綜合與優(yōu)選”，這對(duì)提高工程結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)效益和功能方面具有重大的實(shí)際意義。

【關(guān)鍵詞】建筑結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；基本概念；優(yōu)化內(nèi)容

一、建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的意義

為什么要進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化？概括起來有以下幾方面的原因。

1.鋼筋、混凝土和砌體等常用建筑材料的費(fèi)用構(gòu)成了結(jié)構(gòu)成本的絕大部分，而這一部分成本約占結(jié)構(gòu)主體造價(jià)的50%以上。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠?qū)⒔ㄖこ痰目傇靸r(jià)減少10%～35%。對(duì)于一個(gè)大型的工程來說，這將是很大的一筆費(fèi)用，并且基本不存在風(fēng)險(xiǎn)，所需付出的工作量也并不是很大，因此結(jié)構(gòu)優(yōu)化有助于

建設(shè)方減少投資，增加利潤和提高資金周轉(zhuǎn)率，其經(jīng)濟(jì)價(jià)值巨大。

2.據(jù)統(tǒng)計(jì)，設(shè)計(jì)責(zé)任是造成建筑工程質(zhì)量事故的主要原因，占據(jù)了大約40%的比例。由于現(xiàn)階段各設(shè)計(jì)單位水平良莠不齊，設(shè)計(jì)質(zhì)量差導(dǎo)致施工停工、返工的現(xiàn)象很普遍；另一方面，設(shè)計(jì)單位缺乏成本意識(shí)，盲目追捧“算不清，配鋼筋“的錯(cuò)誤思想，設(shè)計(jì)保守，造成資源的浪費(fèi)。進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠幫助業(yè)主提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，消除不必要的質(zhì)量缺陷和工程風(fēng)險(xiǎn)，在減少非必要投資的前提下獲得高品質(zhì)的建筑，也符合創(chuàng)建節(jié)約型社會(huì)的宗旨。

3.由于設(shè)計(jì)單位沒有主動(dòng)控制成本的意識(shí)和動(dòng)力，加之設(shè)計(jì)師時(shí)間緊、任務(wù)重以及能力不足等原因，業(yè)主并不能奢望設(shè)計(jì)單位幫助其進(jìn)行成本控制，必須另謀它路。

4.設(shè)計(jì)優(yōu)化工作往往并非甲方的核心業(yè)務(wù)，與其耗費(fèi)較多的人力、物力和財(cái)力去做，還不如將其委托給專業(yè)人員完成，以便將有限的資源用在更有效率的工作中，從而創(chuàng)造更多的價(jià)值，提高企業(yè)的核心競爭力。

5.隨著國家宏觀調(diào)控力度的加大和原材料價(jià)格的上漲，通過銷售獲得利潤的空間被大大壓縮，從內(nèi)部挖掘潛力、節(jié)約成本成為企業(yè)贏利的重要手段。科學(xué)合理的節(jié)約成本是提高企業(yè)盈利能力、實(shí)現(xiàn)地產(chǎn)公司健康生存、長期發(fā)展的重要途徑。

在這方面，一些意識(shí)超前的業(yè)內(nèi)知名企業(yè)，如萬科、金地以及諸多國際公司做得比較好，可以作為其他企業(yè)學(xué)習(xí)的榜樣。

二、建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本概念

根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論原理，可將建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)定義為：對(duì)于已知的給定參數(shù)，通過相關(guān)理論、方法，找到這樣一個(gè)設(shè)計(jì)變量，使其既能滿足所有約束條件，又能使目標(biāo)函數(shù)取得最小值。

這里所謂的設(shè)計(jì)變量，指的是在設(shè)計(jì)過程中所選的描述結(jié)構(gòu)特性的量，它們的量值可根據(jù)設(shè)計(jì)方案的不同取不同的值。這些設(shè)計(jì)變量所組成的維向量可用維空間的一個(gè)點(diǎn)來表示，稱為“設(shè)計(jì)點(diǎn)”。在建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中指的主要是：1）設(shè)計(jì)截面的幾何參數(shù)，如各個(gè)構(gòu)件的截面尺寸、面積和慣性矩等。2）結(jié)構(gòu)總體的幾何參數(shù)，如柱的高度、梁的間距、拱的矢高和節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)等。雖然設(shè)計(jì)變量所涉及的內(nèi)容可能有很多，但總體可分為連續(xù)型和離散型2種類型。前者在優(yōu)化過程中的變化是連續(xù)的，如拱的矢高和節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)等；而后者的變化則是跳躍性的，如備選的型鋼截面面積或鋼筋直徑等。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)是指用來衡量一個(gè)設(shè)計(jì)的好壞，從而在不同設(shè)計(jì)方案之間進(jìn)行比較的指標(biāo)，它是設(shè)計(jì)變量的函數(shù)。目標(biāo)函數(shù)的選取建立在結(jié)構(gòu)本身的技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性基礎(chǔ)之上，目前應(yīng)用較多的目標(biāo)函數(shù)主要是結(jié)構(gòu)造價(jià)、結(jié)構(gòu)重量和結(jié)構(gòu)體積3種。

約束條件則指的是在優(yōu)化過程中需要滿足的硬性規(guī)定，即無論采用何種設(shè)計(jì)方案都需滿足的一些要求，離開了這些條件，優(yōu)化設(shè)計(jì)也就無從談起。建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中采用的約束條件主要是幾何約束條件和性態(tài)約束條件。前者從幾何尺寸方面來限制設(shè)計(jì)變量，如要求工字型截面的翼緣和腹板的最小厚度；后者則限制結(jié)構(gòu)的工作性態(tài)，如構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度、結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性等。

三、建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)容

通常情況下，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要工作是根據(jù)建筑設(shè)計(jì)的要求，采用合理的設(shè)計(jì)理念和方法，來確定適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式、布置以及具體的構(gòu)件設(shè)計(jì)尺寸。對(duì)常見的鋼筋混凝土住宅結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，可以從結(jié)構(gòu)整體布局以及具體構(gòu)件兩個(gè)方面加以考慮。影響結(jié)構(gòu)整體布局的因素包括了建筑物的體型特征、柱網(wǎng)尺寸、層高以及抗側(cè)力構(gòu)件的位置等；具體構(gòu)件因素主要包括結(jié)構(gòu)的布置、構(gòu)件的截面、混凝土和鋼筋強(qiáng)度等級(jí)及配筋構(gòu)造等。綜合考慮這兩方面的因素影響是必須的，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，對(duì)工程師提出了更高的要求：需要結(jié)構(gòu)工程師對(duì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件受力特征有充分的把握，能根據(jù)構(gòu)件設(shè)計(jì)的合理經(jīng)驗(yàn)和對(duì)規(guī)范的深刻理解，采用合理優(yōu)化方法進(jìn)行有效設(shè)計(jì)。

1.建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的優(yōu)化

1）盡可能設(shè)置多道抗震防線

一個(gè)抗震結(jié)構(gòu)體系應(yīng)由若干個(gè)延性較好的分體系組成，并由延性較好的結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接協(xié)同工作。由于強(qiáng)烈地震之后往往伴隨著多次余震，抗震結(jié)構(gòu)體系應(yīng)由最大可能數(shù)量的內(nèi)部、外部冗余度，有意識(shí)地建立一系列分布的屈服區(qū)，主要耗能構(gòu)件應(yīng)有較高的延性和適當(dāng)?shù)膭偠?，以使結(jié)構(gòu)能吸收和耗散大量的地震能量，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，避免大震時(shí)倒塌。

適當(dāng)處理結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)弱關(guān)系，同一樓層內(nèi)宜使主要耗能構(gòu)件屈服后，其他抗側(cè)力構(gòu)件仍處于彈性階段，使“有效屈服”保持較長時(shí)間，保證結(jié)構(gòu)的延性和抗倒塌能力。

在抗震設(shè)計(jì)中某一部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)超強(qiáng)，可能造成結(jié)構(gòu)的其他部位相對(duì)薄弱，因此在設(shè)計(jì)中不合理的加強(qiáng)某一部分以及在施工中以大代小改變抗側(cè)力構(gòu)件配筋的做法都需要慎重考慮。

2）建筑性能化設(shè)計(jì)

應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要，有針對(duì)性地選擇整個(gè)結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)的局部部位或關(guān)鍵部位、重要構(gòu)件、次要構(gòu)件以及建筑構(gòu)件和機(jī)電設(shè)備支座作為性能優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)的優(yōu)化。

2.建筑結(jié)構(gòu)平面的優(yōu)化

建筑結(jié)構(gòu)平面的不規(guī)則會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)問題，即結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中未能做到質(zhì)心、剛心和重心三心合一，在水平地震荷載的作用下結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)效應(yīng)。為盡量使作用在樓層上的水平荷載均勻分布，減輕結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)效應(yīng)，建筑平面應(yīng)盡可能采用簡單的平面形式，如方形、矩形、圓形或正多邊形等。當(dāng)由于某些原因無法保證全部采用簡單的平面形式時(shí)，應(yīng)使建筑平面的不規(guī)則程度控制在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。

3.建筑結(jié)構(gòu)靜力分析方法的優(yōu)化

建筑結(jié)構(gòu)的分析方法有很多種，包括彈性靜力法、動(dòng)力彈性分析法、靜力彈塑性分析法、動(dòng)力彈塑性分析法等。一般來說，建筑結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力可按彈性方法計(jì)算，框架梁及連梁等構(gòu)件可考慮塑性變形引起的內(nèi)力重分布。建筑結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際情況確定，所選取的分析模型應(yīng)能較準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件的實(shí)際受力狀況。建筑結(jié)構(gòu)分析，一般情況下選用的是平面結(jié)構(gòu)空間協(xié)同、空間桿系、空間桿-薄壁桿系、空間桿-墻板元等計(jì)算模型進(jìn)行整體計(jì)算。然而，設(shè)計(jì)中經(jīng)常將跨高比很小的轉(zhuǎn)換梁、墻體連梁等構(gòu)件模擬成了空間桿模型，這樣會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的不合理，因此，對(duì)于一些不符合桿系特征的構(gòu)件在設(shè)計(jì)中采用有限元法來進(jìn)行輔助分析。同時(shí)，由于計(jì)算模型無法對(duì)一些復(fù)雜構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行真實(shí)的模擬，也可采用有限元法來進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的分析。

四、結(jié)語

目前，在建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)際操作中，更多的是采用“分析與校核”基礎(chǔ)上的“綜合與優(yōu)選”方法，但真正的建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件還不完善。今后急需大力開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用研究，如開展有關(guān)設(shè)計(jì)思想及優(yōu)化技術(shù)的普及工作，編制符合設(shè)計(jì)實(shí)際需要的優(yōu)化電算程序等；另一方面需要繼續(xù)深入進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論工作，如對(duì)多目標(biāo)優(yōu)化、結(jié)構(gòu)動(dòng)力設(shè)計(jì)優(yōu)化、離散值設(shè)計(jì)變量優(yōu)化、隨機(jī)規(guī)劃和模糊規(guī)劃等課題以及模型化處理工作等。那樣才能是建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化是有據(jù)可依，也更能在滿足安全的前提下給我們帶來大的經(jīng)濟(jì)效益。

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