建筑結構概念設計的優(yōu)化

□王智鋒(建業(yè)住宅集團中國有限公司)

□孫之如(河南興達工程咨詢有限公司)

一、傳統(tǒng)的結構設計與最優(yōu)化設計

（一）傳統(tǒng)的結構設計

根據(jù)建筑設計方案的要求，結構設計人員，參照類似的工程和自已的設計經驗，按照規(guī)范，擬定結構方案和相應參數(shù)，用結構力學的方法，進行強度、剛度、穩(wěn)定性的計算，實際是對所選定的方案，做了安全性的校核工作，證明方案是可行的，從安全與經濟分析，可行方案未必是最合理的設計，因為軟件是結構計算軟件，運算速度快，可能多做了幾個可行方案進行比較，比較是在幾個方案中進行，而沒有預先設定目標，與預定的目標進行比較。

（二）最優(yōu)化設計

最優(yōu)化設計與傳統(tǒng)的結構設計，用相同的設計規(guī)范、基本理論、計算公式、設計流程：經過設計（擬定各構件尺寸）校核（是否滿足規(guī)范的要求）修改設計，再校核直至得到滿意的結構方案。因此，安全度是相同的，所不同的是：傳統(tǒng)的結構設計，是在有限的幾個可行方案中，挑選認為比較滿意的方案，優(yōu)化設計是事先要有明確的特定目標（擬定的特定目標反映了設計人的工程經驗及設計水平、成本意識和甲方的產品定位等），如結構的體積最小、重量最輕、造價最省為前提，通過數(shù)學運算求極值的方法，得到安全性與經濟性都最優(yōu)的方案。

顯然，最優(yōu)化的設計事先有了相對明確的目標，這個目標就來自于結構概念設計。

二、概念設計相關名詞解釋

（一）給定參數(shù)（或預定參數(shù)）

在開始設計時就給出的，用于描述結構特性的參數(shù)，如作用在樓面的活荷載、樓面材料的彈性模量和材料的自重，只要建筑的使用功能及結構材料定下來，可按相關規(guī)范查到，在設計過程中，其數(shù)值是不變的。

（二）設計變量

在設計過程中，其數(shù)值是可以改變的，用于描述結構特性的那些量，如樓板的厚度、梁的斷面尺寸大小、跨度等，在工程中，起碼有兩個變量，稱為二維設計空間，當變量個數(shù)為n（n＞2）,稱為n維設計空間，簡稱超空間。

（三）目標函數(shù)

目標函數(shù)是設計變量的函數(shù)，在工程中，多以結構造價、重量或體積作為目標函數(shù)，記作W（x）;設計工作就是要找出使目標函數(shù)取極小值的設計方案，目標函數(shù)是設計過程中比較和選擇各種不同方案的指標。

（四）約束條件

根據(jù)結構設計方案，滿足使用功能的各項要求，對結構施加的種種限制，依對設計變量施加限制的方式，分為顯式約束和隱式約束。

顯式約束：是直接施加一個或幾個設計變量的限制，如構件的斷面尺寸是變量，各種結構規(guī)范的構造措施，對構件尺寸的限制就是，混凝土規(guī)范第10節(jié)，關于現(xiàn)澆板的最小厚度的規(guī)定，可表示為：h≥表10.1.1中的最小值。

隱式約束：間接施加于設計變量的限制，如對結構應力所施加的限制，以簡支梁為例，根據(jù)跨長、荷載，用結構力學方法，算出內力（M、Q、N）,再算出梁斷面的應力，要求：σ（梁斷面任一點的應力）－f（所用材料的設計強度）≤0，這就是隱式表示，是經過應力計算求出來的，不是直接施加。約束條件可分為等式與不等式兩種表示式。

等式約束：σ－f＝0，表示結構內任一點的計算應力都必須等于所用材料的設計強度，在連續(xù)結構中，這實際上是不可能的，故在結構優(yōu)化設計中，等式約束很少采用。

不等式約束：σ－f≤0，表示結構中任一點應力不應超過相應材料的設計強度，是結構優(yōu)化設計的一個重要概念。

三、結構最優(yōu)化設計的表達式

有了上面的名詞解釋及對傳統(tǒng)設計與優(yōu)化設計的簡單描述為基礎，結構最優(yōu)化設計可概括為：對于已知的給定參數(shù)，求出滿足全部約束條件并使目標函數(shù)取極小值的設計變量，用數(shù)學表示為：

極小化的目標函數(shù)：W（x）=C,

滿足于約束條件gi（x）≤0,i=1,2,…m,X1,X2,……Xn≥0,

四、結構概念設計優(yōu)化與工程成本控制

概念設計最主要目的是在設計方案合理的基礎上更加經濟、安全可行。所以，概念設計需要正確的設計原則以解決設計當中出現(xiàn)的問題，并更加優(yōu)化設計人員的方案。概念設計運用的好壞不僅體現(xiàn)出了設計工程師的思維活動，更顯示出了設計工程的質量層次。

所謂成本控制，是根據(jù)一定時期預先建立的成本管理目標，由成本控制主體在其職權范圍內，在生產耗費發(fā)生以前和成本控制過程中，對各種影響成本的因素和條件采取的一系列預防和調節(jié)措施，以保證成本管理目標實現(xiàn)的管理行為。

作為建設工程的投資方，關注工程成本控制，這是必然的，但成本控制，首先要明確目標成本，對于工程成本，因為從購地立項開始，到建筑方案（包括平面布置、立面造型處理、室內外裝修及材料選擇）、室外景觀設計等，結構是實現(xiàn)建筑方案的骨架，在工程成本控制的整個鏈條組成中，占據(jù)很大的分量，因此，開展結構概念設計，確定結構目標成本，就是一個很好、很重要的方法。

五、結語

概念設計是從設計的基本原理，工程的客觀規(guī)律和方法等出發(fā)進行綜合考慮，來最終確定建筑結構的總體布置，和進行宏觀上的調控。所以，對于專業(yè)人員來說，重視開展結構概念設計，才能讓結構設計更加安全，經濟。