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

鄒 俊

重慶市設(shè)計院，重慶 400015

建筑是凝固的藝術(shù)，精美的建筑是設(shè)計師把建筑的美觀設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計相互密切配合的結(jié)果。房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計追求適用、安全、經(jīng)濟、美觀和便于施工五種效果，來提高有限空間、有限資源的最大化效果發(fā)揮，實現(xiàn)經(jīng)濟化、實用性和適用性的良好目標。而建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法的應(yīng)用則既能滿足建筑美觀，造型優(yōu)美的要求，又能使房屋結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟、合理，成為實質(zhì)意義上的“經(jīng)濟適用”房。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法的理論體現(xiàn)

在從事工程項目和結(jié)構(gòu)的設(shè)計時，除了要考慮設(shè)計對象的基本使用功能及安全可靠性外，還應(yīng)該考慮到把它設(shè)計對象設(shè)計得盡可能完美。這就是工程和結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化問題。用科學(xué)的語言來描述就是：利用確定的數(shù)學(xué)方法，在所有可能的設(shè)計方案的集合中，搜索到能夠滿足預(yù)定目標的、最令人滿意的方案。

結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法從建筑理論上分析，具體體現(xiàn)在房屋工程分部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計和房屋工程結(jié)構(gòu)總體的優(yōu)化設(shè)計兩方面。后者的優(yōu)化設(shè)計包括：屋蓋系統(tǒng)方案的優(yōu)化設(shè)計、圍護結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計和結(jié)構(gòu)細部設(shè)計的優(yōu)化設(shè)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，還應(yīng)該按照一切從實際出發(fā)的原則，結(jié)合具體工程的實際情況，圍繞房屋建筑的綜合經(jīng)濟效益的目標進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

建筑師在保證設(shè)計安全的前提下，應(yīng)該敢于挑戰(zhàn)新的結(jié)構(gòu)形式。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，在基本滿足建筑師設(shè)計意圖的基礎(chǔ)上，平面布置應(yīng)盡量規(guī)則，對稱，盡量縮小質(zhì)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產(chǎn)生太大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。豎向布置上，在滿足功能要求的前提下，盡量使豎向承重構(gòu)件上下貫通；能不使用轉(zhuǎn)換層的就應(yīng)避免使用，以減小結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計上的困難，另外也不經(jīng)濟，還容易造成應(yīng)力集中；豎向剛度最好不要突變，而要漸變，否則突變處在水平荷載作用下會出現(xiàn)嚴重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，這對結(jié)構(gòu)抵抗水平動力荷載是十分不利的。

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

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用，可以達到“物美價廉”的效果，不但實現(xiàn)了房屋的美觀、實用，而且在節(jié)省造價方面也有突出的效果。每一個建筑商都希望，在滿足建筑結(jié)構(gòu)長遠效益的前提下，最大程度地減少建筑結(jié)構(gòu)的近期投資，同時保證建筑物結(jié)構(gòu)的可靠度和科學(xué)合理性。如此，才能實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)更多、更大的市場收益。

與傳統(tǒng)房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計相比，采用設(shè)計優(yōu)化方法則可以使建筑工程造價降低6%～35%。優(yōu)化方法的技術(shù)性實現(xiàn)，可以最合理的利用材料的性能，使建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部各單元得到最好的協(xié)調(diào)，并具有建筑規(guī)范所規(guī)定的安全度。同時，它還可為建筑整體性方案設(shè)計進行合理的決策，優(yōu)化技術(shù)是實現(xiàn)建筑設(shè)計的“適用、經(jīng)濟和安全”目標的有效途徑。

3 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

3.1 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。首先，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(yù)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；其次，確定目標函數(shù)。尋求一組滿足預(yù)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??；第三，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。

3.2 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(fù)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(fù)合形法、拉氏乘子法、Powell法等。

3.3 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。

3.4 結(jié)果分析

對計算結(jié)果進行分析，確定最優(yōu)設(shè)計方案。

在執(zhí)行以上步驟的過程中，必須要全方位、多角度考慮方方面面的問題。這主要是因為建設(shè)投資是一項耗資巨大的工程，涉及到的方面比較復(fù)雜，因此，必須進行總法規(guī)和考慮，不能僅僅為了節(jié)約資金投入而忽視了設(shè)計的優(yōu)化作用。要正確處理技術(shù)與經(jīng)濟的對立統(tǒng)一是控制投資的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。設(shè)計中既要反對片面強調(diào)節(jié)約，忽視技術(shù)上的合理要求，使項目達不到功能的傾向，又要反對重視技術(shù)，輕經(jīng)濟、設(shè)計保守浪費的現(xiàn)象。

總之，建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法的研究是一個非常復(fù)雜的綜合決策問題。適用、安全、經(jīng)濟、美觀和便于施工是進行建筑工程設(shè)計的一般原則，而這5個方面各有所重，又互為矛盾，一個優(yōu)秀的設(shè)計往往是這5個方面的最佳結(jié)合。我們需在實踐過程中多實踐、多探索，以最低的造價實現(xiàn)最佳的經(jīng)濟效益，實現(xiàn)經(jīng)濟、合理和美觀的設(shè)計要求。

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