淺議結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

李可程

摘 要：傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過多地依賴設(shè)計(jì)者的主觀判定。伴隨社會日新月異的發(fā)展，現(xiàn)代的優(yōu)化設(shè)計(jì)更科學(xué)、更理性、更全面地選擇出安全、耐久、經(jīng)濟(jì)、先進(jìn)的最佳方案。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；優(yōu)化；優(yōu)化設(shè)計(jì)

早在三百多年前，意大利科學(xué)家Galileo通過理論和實(shí)驗(yàn)的研究，在解決桿件尺寸與其所承受荷載間的關(guān)系時就提出了等強(qiáng)度梁的概念。到20世紀(jì)60年代Schmit把數(shù)學(xué)規(guī)劃的方法引入到結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域中，這標(biāo)志著現(xiàn)代結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時代的開始。20世紀(jì)80年代王光遠(yuǎn)院士在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中引入優(yōu)化理論，提出了同時考慮結(jié)構(gòu)本身造價和工程失效導(dǎo)致的總損失的抗災(zāi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)者依據(jù)設(shè)計(jì)要求，結(jié)合自已的經(jīng)驗(yàn)通過判斷給出或假定一個設(shè)計(jì)方案和做法，用工程力學(xué)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，以檢驗(yàn)是否滿足規(guī)范規(guī)定的承載力、剛度、穩(wěn)定、尺寸等方面的要求?，F(xiàn)在的優(yōu)化設(shè)計(jì)是由計(jì)算機(jī)程序根據(jù)特定優(yōu)化目標(biāo)，在眾多的設(shè)計(jì)方案中自動搜索出符合優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)計(jì)變量，從而選擇出最好的一個設(shè)計(jì)方案，而不再需要人為假定各種構(gòu)件的截面尺寸和材料強(qiáng)度等級。

任何結(jié)構(gòu)的存在都是為了實(shí)現(xiàn)其功能，結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間、規(guī)定的條件下完成預(yù)定功能的能力就稱為結(jié)構(gòu)可靠性。影響結(jié)構(gòu)可靠性的不確定性因素很多，貫穿于設(shè)計(jì)、施工和使用過程中，只有對這些因素進(jìn)行有效的管理，才能保證結(jié)構(gòu)滿足規(guī)定的可靠度水平。當(dāng)一個結(jié)構(gòu)需同時實(shí)現(xiàn)多種功能，如結(jié)構(gòu)中的鋼筋混凝土梁要同時滿足極限承載能力狀態(tài)的抗彎、抗剪、正常使用極限狀態(tài)的撓度、裂縫寬度限值等要求，設(shè)計(jì)時就需要分別進(jìn)行抗彎、抗剪能力設(shè)計(jì)和撓度、裂縫寬度驗(yàn)算。目標(biāo)可靠度的確定應(yīng)以達(dá)到結(jié)構(gòu)可靠性與經(jīng)濟(jì)性最佳平衡為原則，以社會經(jīng)濟(jì)承受力、結(jié)構(gòu)破壞性質(zhì)、結(jié)構(gòu)重要性、公眾心理為關(guān)注點(diǎn)。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的原則和目標(biāo)

遵守國家、行業(yè)現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、規(guī)程及工程所在地的地方標(biāo)準(zhǔn)，并應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際情況，與建筑、設(shè)備專業(yè)緊密結(jié)合，以期安全適用、耐久舒適、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)先進(jìn)、確保質(zhì)量。

建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是符合特定需求或各種規(guī)范的前提下，得出最好的某種建筑結(jié)構(gòu)的指標(biāo)。對常規(guī)的突破從某種意義上講是優(yōu)化設(shè)計(jì)的特征，然而絕不以犧牲安全來追求更高經(jīng)濟(jì)效益作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是從很多個，甚至無限多個可用方案和做法中挑選材料精省、造價低廉、或其它指標(biāo)最佳的方案和做法。從而使工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從“分析與校核”發(fā)展為“綜合與優(yōu)選”，究其本質(zhì)就是建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化是建立在深厚理論基礎(chǔ)、豐富工程經(jīng)驗(yàn)上；指導(dǎo)設(shè)計(jì)規(guī)范的實(shí)質(zhì)掌握；用更科學(xué)的結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)方法進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化、優(yōu)化。優(yōu)化好的設(shè)計(jì)可減少甚至避免差錯及返工，使設(shè)計(jì)安全隱患得以排除，優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)是合理化的結(jié)構(gòu)體系和充分應(yīng)用高新技術(shù)所帶來的更高效益。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的意義

安全經(jīng)濟(jì)地建設(shè)工程項(xiàng)目是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最終目的，工程的造價、質(zhì)量和進(jìn)度受到建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的很大制約。建筑工程總投資中很重要的一部分就是建筑結(jié)構(gòu)造價，結(jié)構(gòu)投資控制直接影響建筑總投資。德國專家墨爾的調(diào)研表明，各階段工作對投資的影響隨項(xiàng)目的開展而逐漸降低，方案設(shè)計(jì)階段其影響度可達(dá)95%，到施工階段不足10%。工程項(xiàng)目的質(zhì)量目標(biāo)與水平的具體化是通過設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。專業(yè)之間出現(xiàn)矛盾、設(shè)計(jì)變更、設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞等都將對工程造成重要影響。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還制約著工程造價、質(zhì)量和進(jìn)度：其在相應(yīng)范疇內(nèi)彼此制約。結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)將成本控制意識貫穿設(shè)計(jì)始終，以嚴(yán)苛的技術(shù)要求對待每一次工程設(shè)計(jì)，使自身專業(yè)技術(shù)水平不斷提升。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)也會受到政府主管部門監(jiān)控不力、業(yè)主優(yōu)化意識不強(qiáng)、開展缺乏必要的壓力和動力、運(yùn)行機(jī)制不完善等因素影響。綜上所述，要做好結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)需要多方的共同努力，以達(dá)最佳效果。

4 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量的優(yōu)化管理

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首要任務(wù)就是安全和耐久。這直接關(guān)系到人民的生命財產(chǎn)安全。

4.1 設(shè)計(jì)單位內(nèi)部管理

做好設(shè)計(jì)優(yōu)化的管理工作實(shí)質(zhì)就是提升設(shè)計(jì)產(chǎn)品的質(zhì)量。建筑設(shè)計(jì)完美地揉合了藝術(shù)創(chuàng)作和科學(xué)技術(shù)，其內(nèi)容和外表狀態(tài)隨使用功能和性質(zhì)的不同而迥異。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的特有屬性表明其設(shè)計(jì)成果和服務(wù)的質(zhì)量不可用常態(tài)固有標(biāo)準(zhǔn)來評判。這是科學(xué)與藝術(shù)雙重創(chuàng)作的理性碰撞，是創(chuàng)作構(gòu)思與科學(xué)計(jì)算的合理結(jié)合；而在此過程中會不斷萌生出全新的思緒，不可一成不變地照搬原有的、陳舊的模式。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量的優(yōu)化管理實(shí)質(zhì)是強(qiáng)化、強(qiáng)調(diào)其“全程管理”，究其本質(zhì)是運(yùn)動的、發(fā)展的，由分到整、從管理點(diǎn)到強(qiáng)化點(diǎn)，由方案到施工圖的全程細(xì)化、優(yōu)化和篩選。

4.2 建筑結(jié)構(gòu)的精細(xì)化設(shè)計(jì)

這一要求涵蓋了基礎(chǔ)選型、結(jié)構(gòu)體系、材料選擇、過程監(jiān)控等環(huán)節(jié)，直至生產(chǎn)出質(zhì)優(yōu)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)品。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最低標(biāo)準(zhǔn)就是確保結(jié)構(gòu)絕對安全。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的根本環(huán)節(jié)絲絲相扣：涵蓋概念設(shè)計(jì)、構(gòu)思、結(jié)構(gòu)創(chuàng)作、選型等方面的方案設(shè)計(jì)要對比選取出承載能力高、抗風(fēng)力及地震作用性能好、施工方便的結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)布置方案，最優(yōu)的體系必須擁有明確受力，簡捷傳力；合理的計(jì)算模型、程序和方法等直接決定著結(jié)構(gòu)分析或計(jì)算成果，依據(jù)規(guī)范和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對估算結(jié)果嚴(yán)格比對分析；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的保證體現(xiàn)在細(xì)部設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)構(gòu)造上，以概念設(shè)計(jì)為契機(jī)，確保結(jié)構(gòu)完整性和足夠的承載力、剛度，應(yīng)保證抗震結(jié)構(gòu)的彈塑性和延性，對結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵、薄弱部位應(yīng)加強(qiáng)構(gòu)造措施。

4.3 結(jié)構(gòu)現(xiàn)場技術(shù)服務(wù)

工序管理過程中，建筑結(jié)構(gòu)專業(yè)的工作內(nèi)容涵蓋方案制定、初步設(shè)計(jì)、計(jì)算分析、繪制施工圖等方面，還應(yīng)格外注意與業(yè)主溝通、工程現(xiàn)場、工程施工過程等細(xì)節(jié)問題的處理。針對此類問題提供規(guī)范性的技術(shù)把控，對確保設(shè)計(jì)質(zhì)量、為業(yè)主提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)都起到重要作用，是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理性的技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱杰江.建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化及應(yīng)用[M].北京大學(xué)出版社，2011.

[2] 徐傳亮，光軍.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化及實(shí)例[M].中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[3] 朱炳寅.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問答及分析[M].中國建筑工業(yè)出版社，2009.