建筑結構設計優(yōu)化方法在房屋結構設計中的應用

趙豐

【摘 要】房屋結構設計中，應用建筑結構優(yōu)化設計方法可以滿足這一要求，保證建筑美觀、造型優(yōu)美，同時又能夠便于房屋的施工，使房屋安全、經(jīng)濟、適用。在進行建筑設計的實踐過程中，應加強實踐探索，降低經(jīng)濟成本，以達到經(jīng)濟效益的最大化，從而在保證經(jīng)節(jié)約經(jīng)濟成本和達到美觀要求的情況下合理進行結構設計。

【關鍵詞】建筑結構設計；優(yōu)化方法；房屋結構設計

一、結構設計優(yōu)化方法的理論基礎

在進行工程項目和結構設計的過程中，需要考慮的因素很多，最終目的是要在保證設計對象基本適用功能和安全可靠性的情況下，把設計對象設計到最好的程度。這就涉及到工程和結構最優(yōu)化的問題。用科學的語言來描述就是：利用確定的數(shù)學方法，在所有可能的設計方案的集合中，搜索到能夠滿足預定目標的、最令人滿意的方案。

從建筑理論上分析結構設計優(yōu)化方法可以得知，結構設計優(yōu)化方法主要體現(xiàn)在兩個方面，其一是房屋工程部分結構的優(yōu)化設計，其二是房屋工程結構總體的優(yōu)化設計。后者的優(yōu)化設計包括：屋蓋系統(tǒng)方案的優(yōu)化設計、圍護結構方案的優(yōu)化設計和結構細部設計的優(yōu)化設計。穿插其中的，還包含選型、布置、受力分析、造價分析等項目，在實施過程中，應遵循一定的原則，結合具體工程的實際情況，從實際出發(fā)，圍繞房屋建筑的綜合經(jīng)濟效益目標進行結構優(yōu)化設計。

在設計安全被保證的情況下，建筑師應開拓創(chuàng)新，挑戰(zhàn)新的結構形式。在建筑結構設計的過程中，建筑師的設計意圖應能夠得到基本滿足，應設置盡量符合規(guī)則的平面布局，使其對稱；同時縮小質量中心和剛度中心的差異，使建筑物在水平荷載作用下不致于產(chǎn)生太大的扭轉效應。在豎直方向的布置上，應確保在滿足功能要求的情況下，盡最大可能貫通豎向的承重構件；為使結構分析和設計上的難度不致于太大，減少不必要的經(jīng)濟浪費，使應力分散，轉化層應盡可能少地使用；豎直方向的剛度要漸變，而不要突變，如若不然，在水平荷載作用下，突變處會產(chǎn)生嚴重的應力集中現(xiàn)象，這是非常不利于結構抵抗水平動力荷載的。

二、結構設計優(yōu)化技術的意義所在

在房屋結構設計中運用建筑結構設計可以起到非常好的效果，這不僅可以使房屋看起來更加美觀，用起來更加實在，而且也能夠節(jié)省大量的造價，起到良好的效果。幾乎每一個建筑商都希望，在建筑結構的長遠效益得到滿足的情況下，應盡可能地降低建筑結構的近期投資，與此同時，保障建筑物結構的可靠性和科學性。只有這樣，才能順利實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，得到更多、更大的經(jīng)濟效益。

采用設計優(yōu)化的方法與采用傳統(tǒng)房屋結構設計方法相比優(yōu)點是十分明顯的，它可以使建筑工程造價得到大幅度降低，降幅達到35%。要實現(xiàn)優(yōu)化方法的技術性問題，材料的性能要合理利用起來，爭取協(xié)調好建筑結構內(nèi)部的各單元，達到建筑規(guī)范所規(guī)定的安全水平。同時，優(yōu)化方法的技術性實現(xiàn)還可以合理決策建筑整體性方案設計，它可以有效實現(xiàn)建筑設計的經(jīng)濟化、實用性和適用性的良好目標。

三、結構設計優(yōu)化技術在建筑結構設計中的步驟

（一）結構優(yōu)化模型

房屋結構整體優(yōu)化設計方法分以按 3 個步驟進行。首先 ，選擇設計變量。一般把對設計要求起主要影響作用的參數(shù)作為設計變量 ，如目標控制參數(shù)（結構造價 C1 和損失期望 C2）和約束控制參數(shù)（結構的可靠度 PS）；而將那些對設計要求來講 ，變化范圍不大或是根據(jù)結構要求或局部性的設計考慮就能滿足設計要求的參數(shù)等作為預定參數(shù) ，這可以大大減少設計、計算和編制程序的工作量 ；其次 ，確定目標函數(shù)。尋求一組滿足預定條件的截面幾何尺寸和鋼筋截面積以及失效概率 ，從而使總費用最小 ；第三 ，確定約束條件。房屋結構基于可靠度優(yōu)化設計的約束條件 ，則包括尺寸約束、結構強度約束、應力約束、變形約束、裂縫寬度約束、構件單元約束、結構體系約束、從正常使用極限狀態(tài)下的彈性約束到最終極限狀態(tài)的彈塑性約束、從可靠指標約束到確定性約束條件等。在設計中 ，要使結構優(yōu)化設計應用于實際房屋結構工程 ，則是路房屋結構設計中實際的約束條件與目標約束條件相比較 ，保證各約束條件都符合現(xiàn)行規(guī)范的要求 ，以實現(xiàn)最優(yōu)設計。

（二）設定優(yōu)化設計計算方案

房屋結構基于可靠度的優(yōu)化設計問題屬于比較復雜的多變量、多約束非線性優(yōu)化問題，一般情況下，在計算過程中，應轉化問題求解，即將有約束優(yōu)化問題轉化為無約束問題?？梢岳闷饋淼膬?yōu)化設計計算方法有復合形法、拉氏乘子法、Powell法等。

（三）進行程序設計

根據(jù)基于可靠度的結構優(yōu)化模型和選擇的優(yōu)化設計計算方法，編制功能齊全、運算速度快的綜合程序。

（四）結果分析

對計算結果進行分析，確定最優(yōu)設計方案。

在上述步驟的執(zhí)行過程中，涉及的問題包括多個方面，所以要全方位、多角度地考慮。這主要是因為建設投資這項工程的耗資非常大，涉及到的情況非常多，所以，總法則和考慮必須綜合進行，不能片面地追求資金的節(jié)約而不顧設計的優(yōu)化作用。技術與經(jīng)濟之間存在一對矛盾，要能夠正確處理，因為它是控制投資中至關重要的環(huán)節(jié)。因此，在設計中片面強調經(jīng)濟節(jié)約是不正確的，應滿足技術上的相應要求，使項目達到相應的功能傾向，與此同時，要反對重視技術，輕經(jīng)濟、設計保守浪費的現(xiàn)象。

四、結語

總而言之，建筑結構優(yōu)化設計方法的研究涉及面廣泛，具有十分復雜的特點，是一項綜合決策問題。適用、經(jīng)濟、安全、便于施工和美觀是建筑工程設計優(yōu)化追求的五種效果，而這五個方面的側重點各不相同，相互之間又存在一些矛盾的地方，所以，在進行建筑設計的實踐過程中，應加強實踐探索，降低經(jīng)濟成本，以達到經(jīng)濟效益的最大化，從而在保證經(jīng)節(jié)約經(jīng)濟成本和達到美觀要求的情況下合理進行結構設計。

【參考文獻】

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