縐議建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法與實(shí)際應(yīng)用

肖龍涌

(汕頭市澄海區(qū)建筑設(shè)計(jì)院，廣東 汕頭 515800)

建筑作為城市的基礎(chǔ)設(shè)施，外觀優(yōu)美和優(yōu)質(zhì)的建筑往往令人贊嘆不已，這是美觀設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的緊密結(jié)合才能夠?qū)崿F(xiàn)。伴隨著生活水平的提高，人們對(duì)建筑物也提出了新的要求，不僅要求建筑物安全、適用，還應(yīng)經(jīng)濟(jì)、美觀，便于施工和維護(hù)，建筑結(jié)構(gòu)師也應(yīng)在設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)的工程圖紙的基礎(chǔ)上，盡可能地縮減空間，充分利用現(xiàn)有資源，實(shí)現(xiàn)建筑工程綜合效益的最大化。而建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化不僅能夠滿足外觀要求，還能保證建筑結(jié)構(gòu)的安全、適用、經(jīng)濟(jì)，因此，本文對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法與實(shí)際應(yīng)用的議論具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，希望能為工程建設(shè)提供一定的參考。

一、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化內(nèi)容

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化具體是指在建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，科學(xué)對(duì)比分析設(shè)計(jì)方案，從中選擇效果最理想的設(shè)計(jì)方案。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化主要包含總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化和分布結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，其中總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化相對(duì)比較重要，其效果直接影響著建筑物整體功能。

二、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化意義

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的實(shí)際應(yīng)用，既能降低工程成本投入，保護(hù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境，還能切實(shí)保證建筑物使用和美學(xué)價(jià)值的實(shí)現(xiàn)，達(dá)到建筑工程綜合效益的最大化。與傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法相比，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化不僅能夠減少工程造價(jià)，還能提高各種資源的利用率，保證各個(gè)分項(xiàng)工程的有序施工。另外，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化注重設(shè)計(jì)理念的創(chuàng)新，在保證建筑物質(zhì)量、安全的基礎(chǔ)上，還注重美觀和環(huán)保。

三、建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟

(一)變量選擇

變量是對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果影響程度最大的設(shè)計(jì)參數(shù)，例如，目標(biāo)控制函數(shù)、約束控制參數(shù)。對(duì)于建筑設(shè)計(jì)要求而言，變化的幅度不是較大或者依據(jù)工程構(gòu)造要求、從局部設(shè)計(jì)出發(fā)的參數(shù)，均可作為預(yù)定參數(shù)，進(jìn)而最大限度地減輕工程設(shè)計(jì)中的任務(wù)量。

(二)目標(biāo)函數(shù)的確定

為確定目標(biāo)函數(shù)，可以采用嘗試的方法，首先選取一組能達(dá)到建筑物安全標(biāo)準(zhǔn)、滿足實(shí)用性的鋼筋截面積大小等參數(shù)，再依據(jù)工程材料所需量計(jì)算工程造價(jià)，最后選擇工程造價(jià)最低的方案，以此為依據(jù)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，進(jìn)而有效控制建筑物工程總造價(jià)。

(三)約束條件的確定

建筑結(jié)構(gòu)中的約束條件通常建立在可靠度優(yōu)化的基礎(chǔ)上，例如，尺寸大小、應(yīng)力和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等的約束。在工程設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)將結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用到具體的工程建筑中，列入計(jì)算，讓約束條件全部都在工程標(biāo)準(zhǔn)允許的區(qū)域內(nèi)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

四、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法依據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)，其分類各不相同，若依據(jù)設(shè)計(jì)變量的性質(zhì)進(jìn)行分類，則可將其劃分成連續(xù)變量與離散變量這兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法;如依據(jù)難易程度進(jìn)行分類，則可將其劃分成截面優(yōu)化、分布優(yōu)化、種類優(yōu)化、外形優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化，其邏輯關(guān)系如圖1所示。在特定的建筑結(jié)構(gòu)中，隨著建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化檔次的提高，相應(yīng)的設(shè)計(jì)變量的維數(shù)逐漸增高，難度系數(shù)也隨之加大。

(一)截面優(yōu)化方法

應(yīng)用截面優(yōu)化方法時(shí)，通過有限元計(jì)算設(shè)計(jì)變量的結(jié)構(gòu)位移和所受應(yīng)力，直接借助靈敏度分析和科學(xué)的數(shù)學(xué)規(guī)劃方法完成優(yōu)化。其中設(shè)計(jì)變量和剛度矩陣呈現(xiàn)簡單的線性關(guān)系，優(yōu)化計(jì)算方法和靈敏度分析是應(yīng)用截面優(yōu)化方法的關(guān)鍵。優(yōu)化設(shè)計(jì)連續(xù)變量的方法較多，例如規(guī)則法、仿生學(xué)計(jì)算法等;優(yōu)化設(shè)計(jì)離散變量的方法主要有精準(zhǔn)計(jì)算法、啟示性計(jì)算法和相似計(jì)算方法。

(二)外形優(yōu)化方法

外形優(yōu)化方法和截面優(yōu)化法相比，研究時(shí)間較短。外形優(yōu)化方法是指在結(jié)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一定的情況下，通過對(duì)結(jié)構(gòu)框架和內(nèi)部形狀的調(diào)整，以此來改進(jìn)建筑物結(jié)構(gòu)。以對(duì)象為標(biāo)準(zhǔn)劃分外形優(yōu)化方法主要分為連續(xù)體結(jié)構(gòu)和桿系結(jié)構(gòu)。其中連續(xù)體結(jié)構(gòu)外形優(yōu)化的主要包含解析和數(shù)值這兩種方法;桿系結(jié)構(gòu)外形優(yōu)化首先選取節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)充當(dāng)設(shè)計(jì)變量，并考慮截面優(yōu)化，主要利用綜合優(yōu)化和分布優(yōu)化這兩種方法求解。

(三)拓?fù)鋬?yōu)化方法

尋找建筑結(jié)構(gòu)剛度的最理想的分布方式或者傳力模式是拓?fù)鋬?yōu)化方法的主要內(nèi)容，便于減小建筑結(jié)構(gòu)重量或者優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能。拓?fù)鋬?yōu)化方法能為建筑設(shè)計(jì)師在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的起始階段提供概念性設(shè)計(jì)，通過邏輯變量或者整數(shù)變量的形式來表現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的實(shí)際分布形式，進(jìn)而使用最理想的布局設(shè)計(jì)方案，因此，與截面優(yōu)化和外形優(yōu)化這兩種方法相比，它能創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益更大，且更易被工程設(shè)計(jì)人員接受。

五、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的實(shí)際應(yīng)用

(一)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用

1.控制樓層高度

在建筑工程的設(shè)計(jì)過程中，如果在滿足建筑立面、使用凈高的基礎(chǔ)上，合理地縮減樓層高度，則既可以縮減構(gòu)件長度和體積，節(jié)省混凝土資源，還能降低土建成本。為實(shí)現(xiàn)這一目的，可以有效控制梁高、墻高和各層綜合布線。

2.控制高度和寬度的比值

通常建筑物的高度和寬度的比值和抗傾斜力矩呈正相關(guān)，在設(shè)計(jì)的過程中考慮的剪切力墻等抗側(cè)力構(gòu)建也逐漸增加，這在一定程度上也增加了成本投入。如果在設(shè)計(jì)過程中能夠有效地控制該比值，則也會(huì)節(jié)省工程成本，因此，高度和寬度比值的控制也是優(yōu)化設(shè)計(jì)中必不可少的內(nèi)容。

3.控制并優(yōu)化梁的分布和配筋

在建筑主體結(jié)構(gòu)中，其樓蓋造價(jià)在主體總工程造價(jià)的比重達(dá)到10%左右，重量卻達(dá)到21%左右。樓蓋橫梁的分布直關(guān)乎著樓蓋板的結(jié)構(gòu)和配筋，如果合理分布，則能節(jié)約較多的建設(shè)成本?，F(xiàn)實(shí)生活中較為常見的主體結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)，其跨度通常在9米，平行梁或者十字梁是標(biāo)準(zhǔn)層首選，這主要是因?yàn)檫@種設(shè)計(jì)方式的受力比較小，在此種設(shè)計(jì)模式中，如果梁的受力情況近似相同，則其工程造價(jià)和呈“井”字的梁相比，可節(jié)省10%，然而在地下室中，最好還是選擇井字梁，以此來保證受力，進(jìn)而適應(yīng)計(jì)算中的受力要求，達(dá)到凈高標(biāo)準(zhǔn)。在具體的設(shè)計(jì)過程中可以優(yōu)化節(jié)約位于填充墻下方的小梁，這主要是因?yàn)闃前宓膭偠然旧暇湍苤翁畛鋲?。梁的重量逐漸減輕，自然工程造價(jià)也隨之縮減，空間變得更大。在設(shè)計(jì)跨度較大的架框架梁時(shí)，盡可能低選擇半徑較小的配筋，以此來節(jié)省配筋，避免不必要的浪費(fèi)，且受力也更加均勻，便于調(diào)整。

(二)工程實(shí)例

某辦公大樓采用的是高度為七層構(gòu)造的鋼筋混凝土構(gòu)筑結(jié)構(gòu)體系，總建筑面積為6508平方米，由于施工場(chǎng)地的制約，建筑平面寬度為15.8米，長度為59.2米。將房間開間設(shè)計(jì)成5.0米，進(jìn)深度6.8米，過道寬度2.5米，各樓層高度為3.8米。采用現(xiàn)澆式安裝框架的梁、板。

1.建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型

首先，明確設(shè)計(jì)變量，通常設(shè)計(jì)變量為對(duì)建筑工程設(shè)計(jì)影響程度最大的參數(shù)，本工程可以選以結(jié)構(gòu)造價(jià)為中心的目標(biāo)控制參數(shù)，也可以選擇以結(jié)構(gòu)穩(wěn)當(dāng)度為中心的約束控制參數(shù)。對(duì)于對(duì)建筑工程設(shè)計(jì)影響程度較小的因素選作預(yù)定參數(shù);其次，明確優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)，并依次為依據(jù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算;最后，明確模型約束條件。

2.分布結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化

(1)基礎(chǔ)拉梁設(shè)計(jì)優(yōu)化

該工程樓層較少且高度較低，因此選用短柱形式作為建筑基礎(chǔ)?？刂苹A(chǔ)拉梁的截面高度在短柱中心距的0.05左右，保證基礎(chǔ)梁配筋能達(dá)到建筑最小配筋率標(biāo)準(zhǔn)。

(2)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)負(fù)載設(shè)計(jì)優(yōu)化

由于本建筑工程層高為七層，層數(shù)較少，若在具體的施工過程中地基的重點(diǎn)受力部位不是軟性粘質(zhì)土層，則可不必對(duì)其進(jìn)行基礎(chǔ)防震能力測(cè)驗(yàn)。另外，因本工程為鋼筋混凝土構(gòu)筑體系，在優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中，一定要考慮風(fēng)力負(fù)載問題。

(3)計(jì)算結(jié)構(gòu)分析

建立建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化模型后，對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的問題，并制定針對(duì)性的解決方案，進(jìn)而進(jìn)一步優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)，最終達(dá)到建筑結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)適用、美觀的預(yù)期目標(biāo)。

結(jié)語

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化是一項(xiàng)復(fù)雜、長期的工程，科學(xué)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，不僅能夠降低工程預(yù)算，還能保證建筑物安全、經(jīng)濟(jì)、適用、美觀。因此，工程建設(shè)單位應(yīng)在保證工程質(zhì)量和功能的基礎(chǔ)上，結(jié)合建筑工程的實(shí)際情況，合理應(yīng)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，不斷提升工程設(shè)計(jì)師和結(jié)構(gòu)師的專業(yè)水平，積極運(yùn)用新型技術(shù)，不斷探索，進(jìn)而優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)，促進(jìn)建筑的安全、可持續(xù)發(fā)展。

［1］何冬霞.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)中的實(shí)際應(yīng)用 ［J］.中華民居，2013，(30):18－19.

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［3］彭翔.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)中的實(shí)際應(yīng)用［J］.城市建設(shè)理論研究，2014，(9).

［4］羅德剛.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)中的實(shí)際應(yīng)用分析［J］.建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2014， (10):181－181.

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［6］趙鑫.淺析建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的實(shí)際應(yīng)用 ［J］.建材發(fā)展導(dǎo)向 (上)，2014， (6):211－211，212.

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［8］黃海平.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)中的實(shí)際應(yīng)用 ［J］.建材與裝飾，2014，(26):10－11.