建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

王 畢

（湖北省荊州市洪湖市，湖北 荊州 434000）

1 優(yōu)化設(shè)計原則

建筑設(shè)計過程中不僅要遵循結(jié)構(gòu)安全和可靠性的原則以及建筑規(guī)范規(guī)定的內(nèi)容，還要體現(xiàn)以人為本的原則，提高業(yè)主的舒適度，同時降低工程造價，提高土地利用率，發(fā)揮建筑本身最大的價值。

1.1 不規(guī)則平面布置

不同的建筑有不同的使用目的和功能需要，比如框架結(jié)構(gòu)需要對柱和梁進(jìn)行優(yōu)化，而剪力墻結(jié)構(gòu)就需要對墻的布局和墻肢的長短進(jìn)行優(yōu)化，不僅滿足建筑的空間使用要求，還要滿足結(jié)構(gòu)的安全可靠和經(jīng)濟(jì)合理。

1.2 提高舒適度原則

舒適的居住環(huán)境是建筑設(shè)計的終極目標(biāo)。建筑舒適度的優(yōu)化需要從建筑的各方面進(jìn)行整體優(yōu)化，包括結(jié)構(gòu)、裝飾裝修以及電氣管道安裝等方面。

1.3 保證整體安全原則

結(jié)構(gòu)的安全性必須符合相關(guān)規(guī)范和國家標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)制性要求，尤其是建筑抗震設(shè)計尤為重要，需要保證結(jié)構(gòu)的每個部位都達(dá)到抗震要求，使整個結(jié)構(gòu)安全可靠耐久。

1.4 各部分合理協(xié)調(diào)優(yōu)化原則

對于一個建筑來說，其各部分的受力是完全不一樣的，各部件在結(jié)構(gòu)體系中起到的作用也是不一樣的。因此依據(jù)不同部位的不同受力性能，合理的設(shè)定不同的安全系數(shù)，使整個結(jié)構(gòu)既能滿足整體穩(wěn)定要求又能滿足承載力要求，從而達(dá)到整體優(yōu)化的目的。

1.5 建筑結(jié)構(gòu)低造價原則

在保證建筑結(jié)構(gòu)整體安全可靠的前提下，盡可能地降低工程成本。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法

建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計基本方法應(yīng)以數(shù)學(xué)和力學(xué)理論為基礎(chǔ)，借助計算機(jī)工具計算尋找各個變量的最優(yōu)解。

2.1 多目標(biāo)問題的優(yōu)化法

實際工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中往往需要同時考慮多個變量因素，在眾多的方案中對比選擇出最優(yōu)的，最終的期望就是各種指標(biāo)和影響因素都能達(dá)到最佳值。

2.2 滿應(yīng)力準(zhǔn)則法

從結(jié)構(gòu)的各個部分出發(fā)，在各種工況和最不利的情況下，使結(jié)構(gòu)的各個部分都能達(dá)到材料的容許應(yīng)力，是材料最大限度的發(fā)揮作用。齒行法、應(yīng)力比法和能量準(zhǔn)則法都屬于常用的滿應(yīng)力準(zhǔn)則法。其中應(yīng)力比法和齒行法基本原理均相同，齒行法是應(yīng)力比法的改進(jìn)方法，是通過多次的迭代使結(jié)果不斷向目標(biāo)值接近。能量法與前兩種不同，其原理是以應(yīng)變能為基礎(chǔ)，以減少結(jié)構(gòu)材料用量為目的。

2.3 有限元準(zhǔn)則法

有限元方法是借助計算機(jī)軟件，以數(shù)學(xué)理論和力學(xué)理論為基礎(chǔ)進(jìn)行分析的方法，在有限元分析中，程序?qū)⑦B續(xù)的結(jié)構(gòu)劃分為離散的單元進(jìn)行分析。

2.4 智能優(yōu)化準(zhǔn)則法

智能運算是隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展而產(chǎn)生的一種運算方法，目前也廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中。其中遺傳算法和退算法最受歡迎。

3 建立結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計模型

如何建立優(yōu)化結(jié)構(gòu)模型呢?要建立優(yōu)化結(jié)構(gòu)模型，首先要選擇合理適當(dāng)?shù)脑O(shè)計變量，因為各種設(shè)計變量的選擇對設(shè)計要求的影響是巨大的，起著無可取代作用。其次，要確定選定的函數(shù)。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的發(fā)展

建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計向自動化方向發(fā)展。隨著計算機(jī)輔助設(shè)計CAD技術(shù)的發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的自動化程度越來越高。同時CAD的圖形功能可以更直觀、快速、自動地表達(dá)優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果，因而形成高集成化程度的自動化結(jié)構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)。

建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計向智能化方向發(fā)展。智能優(yōu)化是指將計算智能引入結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的過程中，求得一種具有自組織、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)等功能的優(yōu)化算法，更適合于解決建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中經(jīng)驗性問題和非公式化問題。