建筑設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)與實(shí)際應(yīng)用案例研究

【摘要】建筑設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用及其實(shí)際案例研究對(duì)現(xiàn)代建筑學(xué)具有重要意義。文中通過(guò)分析結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基本原理和主要方法，探討了其在建筑設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用策略。研究重點(diǎn)關(guān)注拓?fù)鋬?yōu)化和參數(shù)化設(shè)計(jì)兩種技術(shù)，并通過(guò)實(shí)際工程案例驗(yàn)證了這些技術(shù)在提高建筑結(jié)構(gòu)效率、減少材料用量和增強(qiáng)建筑美學(xué)價(jià)值方面的顯著效果。研究結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)能夠有效平衡建筑的功能性、經(jīng)濟(jì)性和美觀性，為可持續(xù)建筑設(shè)計(jì)提供了創(chuàng)新性的解決方案。

【關(guān)鍵詞】建筑設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；拓?fù)鋬?yōu)化；參數(shù)化設(shè)計(jì)

【中圖分類號(hào)】TU318 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-6028（2024）10-0063-03

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值分析方法的快速發(fā)展，結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。這些技術(shù)不僅能夠提高建筑結(jié)構(gòu)的效率和性能，還能在滿足功能需求的同時(shí)創(chuàng)造出獨(dú)特的建筑形態(tài)。本文旨在探討結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用原理、方法和實(shí)際效果，為建筑師和工程師提供理論指導(dǎo)和實(shí)踐參考。

1 建筑設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)

1.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基本原理

結(jié)構(gòu)優(yōu)化是一種先進(jìn)的工程設(shè)計(jì)方法，旨在通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，如材料分布、幾何形狀或拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在滿足特定約束條件的同時(shí)，找到結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的最優(yōu)配置。這一過(guò)程包括定義設(shè)計(jì)域、確定優(yōu)化目標(biāo)、設(shè)置約束條件、選擇優(yōu)化算法和進(jìn)行迭代計(jì)算等步驟[1]。結(jié)構(gòu)優(yōu)化不僅需要考慮力學(xué)性能，還需要兼顧制造可行性、經(jīng)濟(jì)性和美學(xué)要求，從而在多個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)之間取得平衡。通過(guò)應(yīng)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)更高效、更經(jīng)濟(jì)、更美觀的建筑設(shè)計(jì)。

1.2 主要結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法

主要結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法有三種。

1）尺寸優(yōu)化。最基本且應(yīng)用廣泛的方法，關(guān)注結(jié)構(gòu)構(gòu)件的幾何尺寸（如梁截面、板厚）。保持結(jié)構(gòu)總體布局不變，通過(guò)調(diào)整構(gòu)件尺寸參數(shù)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。計(jì)算效率高，實(shí)施簡(jiǎn)單，適用于對(duì)已有結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

2）形狀優(yōu)化。更復(fù)雜的方法，改變結(jié)構(gòu)幾何形狀但保持拓?fù)洳蛔?。通常用于?yōu)化應(yīng)力集中區(qū)、減少材料用量或改善動(dòng)力性能。在建筑中可優(yōu)化穹頂、拱橋等曲線形狀，提升力學(xué)性能和美感。

3）拓?fù)鋬?yōu)化。最先進(jìn)的方法，可改變結(jié)構(gòu)尺寸、形狀和材料分布，甚至引入或移除孔洞，目的是在給定空間內(nèi)找到最優(yōu)材料分布，還可產(chǎn)生創(chuàng)新性、有機(jī)形態(tài)的設(shè)計(jì)，用于生成復(fù)雜支撐結(jié)構(gòu)、優(yōu)化建筑框架或創(chuàng)造獨(dú)特建筑形態(tài)。

這三種方法從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，優(yōu)化程度逐步提高，為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了全面的優(yōu)化工具。這三種主要結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法的比較如表1所示。

從表1可以看出，隨著優(yōu)化方法復(fù)雜度的提高，其創(chuàng)新潛力也隨之增加，但應(yīng)用范圍可能會(huì)受到限制。

1.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化在建筑設(shè)計(jì)中的意義

結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中具有重要意義。它提高了結(jié)構(gòu)效率，降低了成本并促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展；為建筑師提供創(chuàng)新工具，突破傳統(tǒng)限制；增強(qiáng)建筑安全性和抗災(zāi)能力；推動(dòng)建筑學(xué)與工程學(xué)融合，為智能化、個(gè)性化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)[2]。這些優(yōu)勢(shì)使結(jié)構(gòu)優(yōu)化成為現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。

2 拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 拓?fù)鋬?yōu)化的基本原理

拓?fù)鋬?yōu)化是先進(jìn)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，通過(guò)在給定設(shè)計(jì)域內(nèi)重新分配材料，達(dá)到最優(yōu)布局。過(guò)程從充滿材料的設(shè)計(jì)域開(kāi)始，逐步移除不必要的材料，直至達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)。數(shù)學(xué)模型是通過(guò)最小化目標(biāo)函數(shù)及滿足約束條件來(lái)實(shí)現(xiàn)[3]。通過(guò)迭代求解，可以得到最優(yōu)材料分布方案，從而產(chǎn)生非常規(guī)、有機(jī)形態(tài)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.2 拓?fù)鋬?yōu)化在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用策略

拓?fù)鋬?yōu)化在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛，涵蓋了從概念到詳細(xì)設(shè)計(jì)整個(gè)階段。通過(guò)使用拓?fù)鋬?yōu)化，可以生成創(chuàng)新結(jié)構(gòu)概念，優(yōu)化主體框架，設(shè)計(jì)出高效局部構(gòu)件及多目標(biāo)優(yōu)化外圍護(hù)結(jié)構(gòu)。應(yīng)用時(shí)需合理設(shè)置約束條件，考慮建造可行性和美學(xué)要求，結(jié)合參數(shù)化設(shè)計(jì)提高可控性和靈活性，從而實(shí)現(xiàn)全面的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2.3 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)案例分析

以某展覽中心的屋頂結(jié)構(gòu)為例，該展覽中心要求一個(gè)60 m×80 m的無(wú)柱大空間，同時(shí)希望屋頂結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特的美學(xué)效果。優(yōu)化過(guò)程在60 m×80 m×5 m的長(zhǎng)方體空間內(nèi)進(jìn)行，設(shè)置材料用量不超過(guò)設(shè)計(jì)域的20%的約束條件，考慮結(jié)構(gòu)自重和屋面荷載，以最小化結(jié)構(gòu)柔度（即最大化剛度）為優(yōu)化目標(biāo)。通過(guò)應(yīng)用SIMP（Solid Isotropic Material with Penalization）方法進(jìn)行優(yōu)化，最終得到了一個(gè)呈現(xiàn)出類似樹(shù)枝或骨骼的有機(jī)形態(tài)結(jié)構(gòu)，如圖1所示，其主要受力構(gòu)件清晰可見(jiàn)。拓?fù)鋬?yōu)化前后的性能對(duì)比如表2所示。

從表2可以看出，與傳統(tǒng)桁架設(shè)計(jì)相比，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)重量減少了30%，最大撓度減小了25%，同時(shí)創(chuàng)造出了獨(dú)特的視覺(jué)效果，為展覽空間增添了極具吸引力的建筑特征。這個(gè)案例充分展示了拓?fù)鋬?yōu)化在大跨度建筑中的巨大潛力，不僅實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化，還創(chuàng)造了獨(dú)特的建筑美學(xué)價(jià)值。

3 參數(shù)化設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的運(yùn)用

3.1 參數(shù)化設(shè)計(jì)的基本概念

參數(shù)化設(shè)計(jì)是基于參數(shù)和規(guī)則的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)定義設(shè)計(jì)元素間的關(guān)系和約束條件，使設(shè)計(jì)方案能隨參數(shù)變化自動(dòng)調(diào)整。它允許設(shè)計(jì)師通過(guò)修改少量關(guān)鍵參數(shù)快速生成和評(píng)估多個(gè)方案。核心包括建立參數(shù)控制的幾何模型、定義元素間的邏輯關(guān)系、使用算法生成復(fù)雜幾何形態(tài)，以及通過(guò)參數(shù)調(diào)整優(yōu)化設(shè)計(jì)。這種方法為建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了靈活高效的平臺(tái)，使復(fù)雜的優(yōu)化過(guò)程更直觀，大大提高了設(shè)計(jì)效率和創(chuàng)新潛力[4]。

3.2 參數(shù)化設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化的結(jié)合

參數(shù)化設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化的結(jié)合為建筑設(shè)計(jì)帶來(lái)了新可能，主要體現(xiàn)在幾何控制靈活性、多目標(biāo)優(yōu)化、實(shí)時(shí)反饋、設(shè)計(jì)探索和構(gòu)造可行性等方面。參數(shù)化模型的應(yīng)用，使得可以在優(yōu)化過(guò)程中靈活調(diào)整結(jié)構(gòu)幾何，擴(kuò)大設(shè)計(jì)空間。設(shè)計(jì)師能同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)性能、空間布局、環(huán)境因素等多個(gè)目標(biāo)[5]。與分析軟件集成可以提供實(shí)時(shí)性能反饋，加速優(yōu)化。快速生成和評(píng)估多個(gè)方案可以促進(jìn)創(chuàng)新。應(yīng)用過(guò)程包括建立參數(shù)化模型、定義目標(biāo)和約束、連接優(yōu)化算法、迭代優(yōu)化，最后選擇最優(yōu)方案，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)過(guò)程的高效化和智能化。

3.3 參數(shù)化結(jié)構(gòu)優(yōu)化案例分析

以一座300 m高的摩天大樓為例，可以清晰地看到參數(shù)化設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化組合的強(qiáng)大潛力。該項(xiàng)目的目標(biāo)是優(yōu)化建筑的外部結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)效率和建筑美學(xué)的平衡。參數(shù)化模型設(shè)置包括橢圓形平面（長(zhǎng)軸和短軸比例作為參數(shù)）、從底部到頂部的總扭轉(zhuǎn)角度，以及外部斜交網(wǎng)格系統(tǒng)（網(wǎng)格密度和角度作為參數(shù)）。優(yōu)化目標(biāo)包括最小化結(jié)構(gòu)重量、最大化抗側(cè)剛度，以及優(yōu)化風(fēng)載作用下的動(dòng)力響應(yīng)。使用遺傳算法對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)模擬生物進(jìn)化過(guò)程，選擇、交叉和變異操作來(lái)不斷優(yōu)化解決方案。在本案例中，算法將建筑參數(shù)編碼為“基因”，如平面形狀、扭轉(zhuǎn)角度和網(wǎng)格密度等。每一代方案都通過(guò)有限元分析評(píng)估其結(jié)構(gòu)性能，作為“適應(yīng)度”指標(biāo)。通過(guò)多代迭代，算法逐步收斂到最優(yōu)或近似最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，平衡了結(jié)構(gòu)效率和建筑美學(xué)。參數(shù)化優(yōu)化前后的性能對(duì)比如表3所示。

從表3可以看出，最終的優(yōu)化結(jié)果顯示，平面形狀為長(zhǎng)短軸比1.3：1的橢圓，底部到頂部總扭轉(zhuǎn)90°，外部結(jié)構(gòu)采用雙向螺旋網(wǎng)格，底部密集，頂部稀疏。與初始方案相比，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)重量、頂部側(cè)向位移和基底剪力等關(guān)鍵性能指標(biāo)上都取得了顯著改善。這個(gè)案例充分展示了參數(shù)化設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化組合的優(yōu)勢(shì)，不僅顯著提高了結(jié)構(gòu)效率，還創(chuàng)造出了獨(dú)特的建筑形態(tài)，為城市天際線增添了新的亮點(diǎn)。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用效果

4.1 結(jié)構(gòu)效率的提升

結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)顯著提高了建筑效率，主要體現(xiàn)在應(yīng)力分布優(yōu)化、剛度－重量比優(yōu)化、動(dòng)力性能改善和功能集成方面。通過(guò)優(yōu)化材料分布和結(jié)構(gòu)形式，可以提升承載能力和剛度，同時(shí)減少材料使用。在不同類型的建筑中，結(jié)構(gòu)優(yōu)化帶來(lái)了15%～30%的效率提升，包括應(yīng)力均勻分布、結(jié)構(gòu)輕量化、動(dòng)力響應(yīng)改善和空間利用率提高等多方面效果。結(jié)構(gòu)優(yōu)化在不同類型建筑中的效率提升效果如表4所示。

從表4可以看出，結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在各類建筑中都能帶來(lái)顯著的效率提升，特別是在高層建筑和大跨度結(jié)構(gòu)中，效果尤為明顯。

4.2 材料用量的減少

結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)顯著減少了建筑材料用量，降低成本并減少環(huán)境影響，主要通過(guò)冗余材料移除、輕量化設(shè)計(jì)、高性能材料應(yīng)用和預(yù)制化提升實(shí)現(xiàn)。拓?fù)鋬?yōu)化識(shí)別并移除不必要的材料，優(yōu)化結(jié)構(gòu)形態(tài)和構(gòu)件截面以減輕重量。高性能材料的應(yīng)用進(jìn)一步減少用量。優(yōu)化設(shè)計(jì)提高預(yù)制化程度，減少施工浪費(fèi)。研究表明，應(yīng)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)可平均減少15%～25%的材料用量，在鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目中效果更顯著，可達(dá)20%～30%，為建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展作出重要貢獻(xiàn)。

4.3 建筑美學(xué)價(jià)值的增強(qiáng)

結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)不僅提升了工程性能，還增強(qiáng)了建筑美學(xué)價(jià)值，主要體現(xiàn)在形態(tài)創(chuàng)新、結(jié)構(gòu)表現(xiàn)主義、輕盈感、參數(shù)化美學(xué)和環(huán)境融合等方面。拓?fù)鋬?yōu)化生成的有機(jī)形態(tài)具有獨(dú)特的視覺(jué)美感和生物靈感。優(yōu)化結(jié)構(gòu)系統(tǒng)成為建筑視覺(jué)元素，展現(xiàn)出力學(xué)美和技術(shù)美。材料優(yōu)化分布能創(chuàng)造視覺(jué)輕盈但結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的形態(tài)，結(jié)合參數(shù)化設(shè)計(jì)能產(chǎn)生具有數(shù)學(xué)美感的復(fù)雜幾何。優(yōu)化結(jié)構(gòu)可以更好地響應(yīng)環(huán)境因素，增強(qiáng)建筑與環(huán)境和諧性。這種結(jié)構(gòu)與美學(xué)的結(jié)合在多個(gè)標(biāo)志性建筑中得到體現(xiàn)，成為城市視覺(jué)焦點(diǎn)。

4.4 可持續(xù)性設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)為建筑的可持續(xù)性設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的支持。通過(guò)優(yōu)化材料分布和結(jié)構(gòu)形式，顯著降低了資源消耗，減少了建筑的碳足跡。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)能更好地配合被動(dòng)式設(shè)計(jì)策略，提高能源效率。優(yōu)化設(shè)計(jì)還促進(jìn)了預(yù)制化程度的提高，并減少了施工廢棄物。這些改進(jìn)不僅降低了建筑對(duì)環(huán)境的影響，還提高了其長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)效益，為建筑業(yè)應(yīng)對(duì)可持續(xù)發(fā)展挑戰(zhàn)提供了創(chuàng)新解決方案。

5 結(jié)語(yǔ)

結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)為建筑設(shè)計(jì)帶來(lái)了革命性的變化，使得建筑師和工程師能夠在滿足功能需求的同時(shí)，創(chuàng)造出更加高效、經(jīng)濟(jì)和美觀的建筑作品。研究指出，拓?fù)鋬?yōu)化和參數(shù)化設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，不僅提高了結(jié)構(gòu)效率，減少了材料用量，還增強(qiáng)了建筑的美學(xué)價(jià)值。然而，這一技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨計(jì)算復(fù)雜性、跨學(xué)科協(xié)作等挑戰(zhàn)。未來(lái)，隨著人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)優(yōu)化將朝著更智能、更集成的方向發(fā)展。潛在的研究方向包括多目標(biāo)優(yōu)化算法的改進(jìn)、材料科學(xué)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化的結(jié)合以及面向全生命周期的建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。這些進(jìn)展將為創(chuàng)造更加智能、高效和可持續(xù)的建筑環(huán)境作出重要貢獻(xiàn)。

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[作者簡(jiǎn)介]黃澤倫（1997—），男，南昌人，本科，助理工程師，研究方向：建筑設(shè)計(jì)。