建筑結(jié)構(gòu)設計中結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化技術的應用研究

寇鵬承德天一建筑設計院有限公司

建筑結(jié)構(gòu)設計中結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化技術的應用研究

寇鵬
承德天一建筑設計院有限公司

經(jīng)濟的發(fā)展和時代發(fā)展步伐的加快使得各行各業(yè)的競爭壓力都越來越激烈，建筑行業(yè)也不例外。市場競爭壓力使得建筑企業(yè)開始關注建筑結(jié)構(gòu)設計中的相關內(nèi)容，希望通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計，使得建筑成品能具有更好的使用性和安全性，進而為企業(yè)在市場競爭中爭得一席之地。再加上建筑結(jié)構(gòu)設計也是建筑設計中的主要內(nèi)容，其在建筑設計工作中占據(jù)很大的比例，由此可見，做好結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計很有必要?；诖?，文章重點研究了建筑結(jié)構(gòu)設計中結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化技術應用的有關內(nèi)容，僅供參考。

建筑結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)設計；優(yōu)化技術；應用

引言

在人們生活水平不斷提高的社會背景下，人們對建筑產(chǎn)品的要求內(nèi)容越來越嚴格，早已不是以往的基本居住需求了，更多的是開始關注建筑的質(zhì)量和外觀美觀性，與此同時還提出了一定的環(huán)境要求，面對這樣的形式，建筑企業(yè)開始重視對結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化技術的應用，該項內(nèi)容是現(xiàn)階段很多建筑企業(yè)重點研究的內(nèi)容，建筑企業(yè)希望通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計提高建筑的實用性和美觀性，進而提高企業(yè)的經(jīng)濟利益，可見未來幾年甚至更長遠的一段時間內(nèi)結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化技術都將是建筑結(jié)構(gòu)設計人員重點研究和應用的內(nèi)容。

一、建筑結(jié)構(gòu)設計中結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術應用的意義

第一，出于對用地面積的考慮。近年來我國用地緊張的問題越來越嚴重，所以很多建筑企業(yè)在施工中一直在尋找既能節(jié)約土地又能滿足居住者需求的方式。長久以來很多人都認為高層建筑能解決這樣的問題，其實這種觀念不完全正確，因建筑施工一定要考慮建筑間距離，特別是高層建筑密集的地方更應控制好這種距離，這樣保障樓層的穩(wěn)定性和采光性能。樓層高相鄰建筑的間距就變大，所以在設計中要綜合考慮樓層和地面面積的關系，這中間肯定有平衡點，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計就能得到最佳方案，以此保障地面面積的最佳利用率。第二，出于對建筑層數(shù)的考慮。通常建筑樓層越高，地基承受的應力必然就會越大，此時為提高建筑結(jié)構(gòu)的安全性就一定要加固地基結(jié)構(gòu)，這樣就導致地基總成本變多，但是分攤到每層樓，其成本卻未降低，所以在樓層設計中就一定也有平衡點，在樓層高度是某一值時成本最低，這就需要通過結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化技術來尋找。事實上，這樣的原理不僅是適用于樓層高度，在柱高、墻體高度等設計內(nèi)容中也能應用。

二、建筑結(jié)構(gòu)設計中結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化技術的應用

1、建立結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化模型

建立結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計模型中需要重點把握以下三點內(nèi)容：第一，合理選擇設計變量。在選擇變量時，主要把影響結(jié)構(gòu)本身的參數(shù)作為變量。比如嚴格控制損失期望值、造價值、結(jié)構(gòu)可靠等。對那些相對影響比較小的，或者變化范圍比較小的參數(shù)，可由預定式參數(shù)表示，這樣就能減少設計和計算數(shù)量，進而減少編程工作量，進一步提高工作效率。第二，確定目標函數(shù)。在建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計過程中一定要找到符合規(guī)定條件的鋼筋截面面積，還要找到已失效的概率函數(shù)，這樣就能保證整體造價最少。第三，確定約束條件。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計過程中一定要保障結(jié)構(gòu)的可靠性，合理確定和優(yōu)化設計中的有關約束條件。這里的約束條件主要是裂縫寬度約束、強度約束以及構(gòu)件約束等。在進行結(jié)構(gòu)設計時，要對比目標約束條件和實際約束，保證每個約束條件都能滿足整體工程要求，保障優(yōu)化效果的最佳化。

2、結(jié)構(gòu)設計方案的優(yōu)化

建筑結(jié)構(gòu)設計方案的優(yōu)化是非線性問題，建筑結(jié)構(gòu)設計方案的優(yōu)化涉及的約束條件和變量非常多。在具體的優(yōu)化設計中，可使用無約束條件代替有約束條件，然后再進行計算，在這個過程中可以使用拉氏乘子法及Powell等。在完成結(jié)構(gòu)設計方案的優(yōu)化后，還要編制對應的運算程序，這樣就能得到最優(yōu)結(jié)構(gòu)設計方案。

3、概念設計優(yōu)化技術

應用優(yōu)化技術時不能全部依賴計算機軟件，最科學的方法是把計算機設計和人工設計融合在一起應用，以此發(fā)揮概念設計的功能。比如在材料優(yōu)化選擇中就需要結(jié)合各材料的特點進行人工選擇，設計參數(shù)上也要按照設計標準進行優(yōu)化，而不是僅依賴計算機。這點主要是因計算機雖能對計算設計各種數(shù)據(jù)，但是其不能按照具體需要設計出符合實際要求的結(jié)構(gòu)設計方案，所以一定要靈活運用計算機，且最終設計還是要依靠設計人員用概念設計技術和計算機技術共同完成。

4、優(yōu)化技術的具體應用

安全性是建筑結(jié)構(gòu)設計中的重要內(nèi)容，其也是最基本的要求，只有保障了結(jié)構(gòu)的安全性才能進一步研究結(jié)構(gòu)的其他性能。提高建筑物安全性的關鍵在于要保障建筑結(jié)構(gòu)在遭受外部作用時還能繼續(xù)使用，同時還不能對使用者的生命財產(chǎn)安全造成危害。在具體的優(yōu)化設計中，可以由概念設計優(yōu)化增加結(jié)構(gòu)外部抵抗力，保證結(jié)構(gòu)在各種復雜環(huán)境中都能不被影響。在這些影響因素中，地震是危害性最大的，且其還不能預測具體的時間和地點，所以要通過結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化技術提高結(jié)構(gòu)抗震性能。在建筑結(jié)構(gòu)設計中最好把結(jié)構(gòu)設計成對稱形狀，以此增加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，對稱形狀能使荷載受力更均勻，還能增加建筑延性，同時減小結(jié)構(gòu)危險截面，提升抗震性能。遇到強震，損傷更大，此時可利用多層設防措施減少破壞，這樣地震先作用的是次要構(gòu)件，主要構(gòu)件就能保證穩(wěn)定性，主要構(gòu)件還能保護次要構(gòu)件，以此減輕地震破壞。

三、結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術應用時需要注意的問題

第一，注意前期技術優(yōu)化。前期的方案對整個工程影響很大，所以應該加以重視。結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化技術要深入到前期方案中?，F(xiàn)階段很多建筑前期方案中都沒有考慮優(yōu)化技術，但實際上優(yōu)化技術應該從前期到結(jié)束都有涉及。若在前期方案中融入優(yōu)化技術則可以解決一些結(jié)構(gòu)性問題，以此節(jié)約工程成本，此時只需要考量一些重點因素，如樓層高度和層數(shù)等。第二，在結(jié)構(gòu)細部中的應用。建筑主體結(jié)構(gòu)非常重要，但細部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計也是很重要，只有保證基本構(gòu)件設計合理性，才能實現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。比如，在矩形板澆筑設計中優(yōu)化矩形板幾何結(jié)構(gòu)，結(jié)合結(jié)構(gòu)特點，確保矩形板能承受要求的應力，同時澆筑中優(yōu)化設計材料比，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)堅硬度和材料比的平衡進行。

四、結(jié)束語

綜上所述，在建筑結(jié)構(gòu)設計中應用結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化技術是很非常重要的，而且也是很有必要的，此項技術的應用不僅能滿足使用者的要求還能提高建筑企業(yè)的經(jīng)濟效益，所以要求建筑企業(yè)應該重點強化對結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化技術的進一步研究和應用，在具體應用中先要認識結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化技術應用的意義，然后明確具體的應用內(nèi)容，最后還要關注應用中該注意的問題，通過以上幾點提高建筑質(zhì)量，以此吸引更多的客戶，最終實現(xiàn)增加企業(yè)效益的目的。

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