建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

（遼寧 沈陽 110041）

一、結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)的現(xiàn)實意義

結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化和傳統(tǒng)房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計進行比較我們可以發(fā)現(xiàn)：運用設(shè)計優(yōu)化的技術(shù)能夠降低建筑的工程造價（6～35%）。結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)能夠使得建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部的每個單元都得到最佳的協(xié)調(diào)，并可以對材料的性能進行最合理的利用。這樣不僅能夠保證相關(guān)規(guī)定的安全系數(shù)，還能夠?qū)崿F(xiàn)對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)濟性與實用性。

二、結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的步驟

（一）結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型

房屋結(jié)構(gòu)整體優(yōu)化設(shè)計方法分以按3個步驟進行。

1.選擇設(shè)計變量。一般把對設(shè)計要求起主要影響作用的參數(shù)作為設(shè)計變量，如目標控制參數(shù)（結(jié)構(gòu)造價C1和損失期望C2）和約束控制參數(shù)（結(jié)構(gòu)的可靠度PS）；而將那些對設(shè)計要求來講，變化范圍不大或是根據(jù)結(jié)構(gòu)要求或局部性的設(shè)計考慮就能滿足設(shè)計要求的參數(shù)等作為預定參數(shù)，這可以大大減少設(shè)計、計算和編制程序的工作量。

2.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。

3.確定約束條件。房屋結(jié)構(gòu)基于可靠度優(yōu)化設(shè)計的約束條件，則包括尺寸約束、結(jié)構(gòu)強度約束、應(yīng)力約束、變形約束、裂縫寬度約束、構(gòu)件單元約束、結(jié)構(gòu)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(shè)計中，要使結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用于實際房屋結(jié)構(gòu)工程，則是路房屋結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計。

（二）設(shè)定優(yōu)化設(shè)計計算方案

房屋結(jié)構(gòu)基于可靠度的優(yōu)化設(shè)計問題屬于比較復雜的多變量、多約束非線性優(yōu)化問題，在計算過程中，通常是將有約束優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為無約束問題求解?？梢岳玫膬?yōu)化設(shè)計計算方法有復合形法、拉氏乘子法、Powell法等。

（三）進行程序設(shè)計

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

三、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用要點

（一）選擇節(jié)能指標較高的結(jié)構(gòu)類型

房屋結(jié)構(gòu)形式的選擇，意味著選擇不同工程造價的建設(shè)模式，常見的結(jié)構(gòu)設(shè)計形式有如下三種。

1.短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)形式常見于高層建筑，以混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程為依托，這種結(jié)構(gòu)形式相對于普一般剪力墻的抗震級別要高，構(gòu)造配筋率較高，但比起一般剪力墻，構(gòu)造鋼筋使用數(shù)量不多，所以在適當?shù)臅r候可以選擇短肢剪力墻這種結(jié)構(gòu)形式。

2.框架結(jié)構(gòu)，具有大開間、布局靈活性強和造價成本低的優(yōu)點，但這種結(jié)構(gòu)抗震能力弱，柱截面較大，形成的柱角凸出部位會妨礙家具的布置。

3.框架一剪力墻結(jié)構(gòu)，即在框架結(jié)構(gòu)中合理進行一定數(shù)量剪力墻的布置，這種結(jié)構(gòu)合理，適用能力強，而且能夠應(yīng)對各種不同的變形壓力，是一種抗側(cè)力較好的結(jié)構(gòu)。

（二）注重細部優(yōu)化

1.關(guān)于箱、筏基礎(chǔ)底板挑板的陽角問題。陽角面積可砍成直角或斜角。如果底板鋼筋雙向雙排，且在懸挑部分不變，陽角不必加輻射筋。

2.關(guān)于箱、筏基礎(chǔ)底板的挑板問題。雖然在計算時此處板并不應(yīng)按挑板計算，當然此問題并不絕對，當有數(shù)層地下室，窗井橫隔墻較密，且橫隔墻能與內(nèi)部墻體連通時，可靈活考慮；當?shù)叵滤缓芨?，出基礎(chǔ)挑板，有利于解決抗浮問題；從建筑角度講，取消挑板，可方便柔性防水做法。

3.關(guān)于梁、板的計算跨度。梁板結(jié)構(gòu)，簡單點講，可認為是在梁的中心線上有一剛性支座，取消梁的概念，將梁板統(tǒng)一認為是一變截面板。在扁梁結(jié)構(gòu)中，梁高比板厚大不了多少時，應(yīng)將計算長度取至梁中心，選梁中心處的彎距和梁厚，及梁邊彎距和板厚配筋取二者大值配筋。(借用臺階式獨立基礎(chǔ)變截面處的概念)柱子也可認為是超大截面梁，所以梁配筋時應(yīng)取柱邊彎距。削峰是正常的，不削峰才有問題。

4.基坑開挖結(jié)構(gòu)優(yōu)化?；娱_挖時，摩擦角范圍內(nèi)的坑邊的基底土受到約束，不反彈，坑中心的地基土反彈，回彈以彈性為主，回彈部分被人工清除?；A(chǔ)較小，坑底受到很大約束，回彈可以忽略，在計算沉降時，應(yīng)按基底附加應(yīng)力計算。當基坑很大時，相對受到較小約束，如箱基，計算沉降時應(yīng)按基底壓力計算，被坑邊土約束的部分當做安全儲備，這也是計算沉降大于實際沉降的原因之一。

5.回彈再壓縮基坑開挖。關(guān)于回彈再壓縮基坑開挖時，摩擦角范圍內(nèi)的坑邊的基底土受到約束，不反彈，坑中心的地基土反彈，回彈以彈性為主，回彈部分被人工清除。當基礎(chǔ)較小，坑底受到很大約束，如獨立基礎(chǔ)，回彈可以忽略，在計算沉降時，應(yīng)按基底附加應(yīng)力計算。當基坑很大時，相對受到較小約束，如箱基，計算沉降時應(yīng)按基底壓力計算，被坑邊土約束的部分當做安全儲備，這也是計算沉降大于實際沉降的原因之一。

（三）結(jié)構(gòu)設(shè)計信息優(yōu)化技術(shù)

由于房屋建筑結(jié)構(gòu)受到設(shè)計變量等條件的約束，難以用單一的方法進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。筆者認為，鑒于房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計的復雜性，應(yīng)該開發(fā)一種較為實用方便的參數(shù)定義優(yōu)化軟件，減少設(shè)計者在結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面的精力和時間。筆者較為推崇的是TBCAD系統(tǒng)，這種系統(tǒng)是針對結(jié)構(gòu)方案設(shè)計、建模、分析、評估等為一體的成本控制軟件系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以進行結(jié)構(gòu)方案的指導設(shè)計，使得方案的人力、物力和財力資源等趨于最優(yōu)狀態(tài)。系統(tǒng)的信息分為兩個時間段進行優(yōu)化，第一個時間段是通過對材料的分配調(diào)整，使用最少的混凝土用量滿足側(cè)向剛度的要求，系統(tǒng)在這個時間段的目標函數(shù)是混凝土的使用量，而結(jié)構(gòu)構(gòu)件的斷面大小則是設(shè)計的變量。第二個時間段是對構(gòu)件強度的優(yōu)化，通過對構(gòu)件結(jié)構(gòu)的斷面大小以及鋼用量的調(diào)整，使得構(gòu)件的強度要求實現(xiàn)只需較少的結(jié)構(gòu)造價。