試析建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的實(shí)踐

徐克銑 胡燕

【摘要】建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在房屋結(jié)構(gòu)中的影響較大，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)劣直接關(guān)系到房屋的后續(xù)施工安全和房屋使用人的安全。建筑設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法主要對(duì)房屋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求具有安全性，同時(shí)強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)性，降低建筑工程的成本造價(jià)。本文試對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的實(shí)踐應(yīng)用做一探討。

【關(guān)鍵詞】建筑結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)優(yōu)化方法；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；實(shí)踐

建筑結(jié)構(gòu)在建筑項(xiàng)目的總體費(fèi)用較大，占建造工程款較大份額，通過對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，對(duì)節(jié)省建筑項(xiàng)目的費(fèi)用具有較大經(jīng)濟(jì)效益和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。良好的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要設(shè)計(jì)人員對(duì)建筑的構(gòu)架和建筑的設(shè)計(jì)進(jìn)行美學(xué)上的相融合，建筑設(shè)計(jì)應(yīng)在兼顧美觀性和經(jīng)濟(jì)適用性、安全性等方面，進(jìn)行房屋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作。相關(guān)經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)師和有關(guān)建筑設(shè)計(jì)的單位應(yīng)從既經(jīng)濟(jì)又適用的角度出發(fā)，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，運(yùn)用先進(jìn)的科學(xué)手段，選擇適用的結(jié)構(gòu)，充分實(shí)現(xiàn)房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)最大化，在相關(guān)設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)照顧到經(jīng)濟(jì)與適應(yīng)性、安全性。要充分利用建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，在盡可能有限的空間和有限的資源中把建筑工程的質(zhì)量提高上去，使房屋的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)其安全性和適用性、美觀性的房屋建筑優(yōu)化的目標(biāo)。

1、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法

對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，如果出現(xiàn)優(yōu)化的變量減少，可用一些簡便方法進(jìn)行計(jì)算。如圖解和解析方法，可在相關(guān)的設(shè)計(jì)空間內(nèi)，計(jì)算可行域及其目標(biāo)函數(shù)等值面，然后在圖形上找到可行域內(nèi)，能夠使目標(biāo)函數(shù)值達(dá)到最小的設(shè)計(jì)點(diǎn)位置，即可進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)優(yōu)化，在問題較為簡單時(shí)，運(yùn)用解析方法可迅速解決。如果問題較為復(fù)雜，要從工程力學(xué)的觀點(diǎn)，對(duì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算，運(yùn)用相關(guān)原理和準(zhǔn)則，如同步失效準(zhǔn)則和滿應(yīng)力準(zhǔn)則等，最后用迭代方式算出優(yōu)化之后的解。

在優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)踐中，對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的同步失效準(zhǔn)則法進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過對(duì)荷載作用，把所有會(huì)發(fā)生破壞的模式能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)作為最優(yōu)結(jié)構(gòu)。這種設(shè)計(jì)方式有很多顯而易見的缺點(diǎn)，因?yàn)闀?huì)用到解析方式進(jìn)行代數(shù)計(jì)算，這種優(yōu)化設(shè)計(jì)只能用來對(duì)簡單的優(yōu)化設(shè)計(jì)元件進(jìn)行優(yōu)化。如果約束數(shù)比設(shè)計(jì)變量大的情況下，就應(yīng)該對(duì)破壞模式要同時(shí)發(fā)生再給出相關(guān)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，這種優(yōu)化設(shè)計(jì)是較為復(fù)雜和困難的。如果設(shè)計(jì)變量與約束數(shù)等同，也不能保證所得到的解能夠最優(yōu)。

在運(yùn)用滿應(yīng)力準(zhǔn)則法時(shí)，能夠盡較大能力地發(fā)揮材料強(qiáng)度的潛力，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化中是較為明顯的標(biāo)志，主要是用桿件滿應(yīng)力為準(zhǔn)則來進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，在相關(guān)桿件系統(tǒng)中應(yīng)用較多，在運(yùn)用滿應(yīng)力準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中發(fā)展了和射線步相結(jié)合的齒形法。

在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的相關(guān)方法實(shí)踐中還可以用數(shù)學(xué)的規(guī)劃方法進(jìn)行實(shí)踐設(shè)計(jì)。例如運(yùn)用線性規(guī)劃，在目標(biāo)函數(shù)以及約束方程的設(shè)計(jì)變量情況中，都是線性函數(shù)的解法較為容易，可用單純形法進(jìn)行解出。如果目標(biāo)函數(shù)以及約束方程的設(shè)計(jì)變量是非線性函數(shù)，那么就需要用非線性規(guī)劃解出，結(jié)構(gòu)優(yōu)化由很多都是約束的非線性規(guī)劃問題，此類問題較為復(fù)雜、難度較高?，F(xiàn)在大部分情況主要有幾種類型，在只需要導(dǎo)數(shù)并不必作轉(zhuǎn)換的分析如可行方向的方法，也有不需求導(dǎo)數(shù)、也不作轉(zhuǎn)換，這種方法是直接進(jìn)行搜索，稱之為復(fù)形法。還有一些用線性規(guī)劃進(jìn)行逐次逼近的方法，例如序列線性規(guī)劃的方法，還要轉(zhuǎn)換成無約束極值的問題，進(jìn)行求解的方法，例如罰函數(shù)法和乘子法。對(duì)于目前，還有一種方法為啟發(fā)式算法，這些算法在結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域得到了一定程度的應(yīng)用，如遺傳算法和模擬退火算法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法。同時(shí)，對(duì)混合法的規(guī)劃應(yīng)用中，較為常用的方法是對(duì)數(shù)學(xué)規(guī)劃和準(zhǔn)則法的同時(shí)使用。

2、房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化在實(shí)際中的意義

結(jié)構(gòu)優(yōu)化能夠在降低建筑總造價(jià)中具有重要意義，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，通過比較高層與多層的住宅進(jìn)行比較，會(huì)發(fā)現(xiàn)隨著層數(shù)的增加，在建筑總面值的增加中，單位建筑面積對(duì)土地占用面積就會(huì)越少，能夠節(jié)省大量的土地成本，但在建筑層數(shù)不斷增加，對(duì)建筑的高度也會(huì)相應(yīng)增高，建筑物之間的距離就要有更大的間距。此時(shí)對(duì)于土地的節(jié)省與建筑物層數(shù)增加的情況相同。在屋頂?shù)臉巧w部分，再多的樓層也只需一個(gè)屋蓋，不會(huì)因樓層的增加而增多，所以它的成本會(huì)明顯下降。對(duì)基礎(chǔ)部分來講，各層共用時(shí)隨著層數(shù)增加，基礎(chǔ)的荷載就會(huì)加大，必須進(jìn)行基礎(chǔ)的增大，導(dǎo)致單位面積降低造價(jià)，卻無屋蓋的效果明顯。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的意義在于能夠提高建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)效益，通過建筑物的樓層的增多，對(duì)于墻體面積和柱體積增加，相應(yīng)的輔助設(shè)施也會(huì)相應(yīng)增加，其管道的鋪設(shè)也會(huì)增加，結(jié)構(gòu)的自重增加。但如果對(duì)樓層減少，可減省相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，還可有效抗震，建筑之間的日照充足，土地間接節(jié)省。在建筑的面積相同，建筑的不同平面的形狀不同，其外墻的總周長也會(huì)相應(yīng)增加，如果選用圓形和方形作為外墻構(gòu)造時(shí)，外墻的相對(duì)系數(shù)就會(huì)減小，對(duì)于外墻的相關(guān)墻體和粉刷、裝修變得經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，對(duì)建筑的相關(guān)經(jīng)濟(jì)效益起到較大作用。對(duì)價(jià)值的經(jīng)濟(jì)性得到了增強(qiáng)，這種優(yōu)化技術(shù)能有效節(jié)省建筑的造價(jià)，使建筑工程的設(shè)計(jì)達(dá)到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和要求，符合房屋建筑結(jié)構(gòu)的總體效益。相比與傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，經(jīng)過優(yōu)化的房屋建筑設(shè)計(jì)不僅能達(dá)到其經(jīng)濟(jì)和適用的要求，對(duì)房屋的美觀程度有較大的改善，而且節(jié)省了不必要的建筑工程開支。

3、房屋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐

在房屋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)則中，對(duì)于采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法，在目前建筑行業(yè)中應(yīng)用較為普遍，在實(shí)際的運(yùn)用中采取結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案，在適用性上達(dá)到相關(guān)設(shè)計(jì)要求并節(jié)省項(xiàng)目費(fèi)用。通過在工程的設(shè)計(jì)前期和相關(guān)綜合的設(shè)計(jì)中合理采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，主要在舊房的改造問題、抗震性及其他的步驟上，在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的技術(shù)實(shí)踐中，應(yīng)著重注意一些細(xì)節(jié)。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的前期工作要注意，在前期的規(guī)劃中關(guān)系著建筑項(xiàng)目的總體需求，前期規(guī)劃沒有把結(jié)構(gòu)優(yōu)化融進(jìn)去，一些建筑設(shè)計(jì)師并沒有在規(guī)劃房屋時(shí)把合理性和易于實(shí)現(xiàn)性考慮進(jìn)去，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)受制于建筑設(shè)計(jì)方案，一些規(guī)劃也會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高其設(shè)計(jì)的復(fù)雜和難度，給建筑的成本增加了負(fù)擔(dān)。在進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)，對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化在前期的規(guī)劃融入進(jìn)去，可根據(jù)建筑物的各種特征，選擇最優(yōu)的架構(gòu)，進(jìn)行采取較為理想的設(shè)計(jì)方案，才能把結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化好。

在概念設(shè)計(jì)能夠在沒有詳細(xì)數(shù)值的情況下廣泛地運(yùn)用，例如在對(duì)抗震的預(yù)防方面，因?yàn)榫哂胁欢ㄐ?，?jì)算不可能避免和實(shí)際的情況存在一些差別，在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)工作中，運(yùn)用概念設(shè)計(jì)的方法，把量值作為參考輔助。設(shè)計(jì)人員要有根據(jù)和針對(duì)性，科學(xué)地運(yùn)用優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以便達(dá)到較為理想的設(shè)計(jì)效果。

建筑在設(shè)計(jì)過程對(duì)掌握總體的架構(gòu)之外，在其詳細(xì)的操作中還要對(duì)包括對(duì)細(xì)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，例如異形板很容易在其角上留有縫隙，因此應(yīng)當(dāng)對(duì)其分割為方塊板。相關(guān)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)要精心地選擇鋼筋，市場上的冷壓鋼和一級(jí)鋼幾乎沒有太大的差別，但其性能中的拉力閥值卻天差地別。要在具體工程的建筑要求的基礎(chǔ)上進(jìn)行選擇，既要考慮到其經(jīng)濟(jì)適用性，還要考慮到期質(zhì)量安全性。

在地基的下部進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)要選擇較為合理的規(guī)劃做成樁基礎(chǔ)，另外，要根據(jù)施工場地上現(xiàn)場地質(zhì)狀況進(jìn)行相關(guān)的選擇樁基，然后較為節(jié)省地使用開支。在選擇灌注樁的樁長的時(shí)候要考慮到樁頂端抗力層，通過對(duì)比來選擇較為理想的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)劃方案。

4、結(jié)語

優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案要比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案使工程的造價(jià)節(jié)省5%到35%左右。通過對(duì)優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)較為合理科學(xué)的利用材料，達(dá)到建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部和外部的良好協(xié)調(diào)性能，使建筑物美觀、經(jīng)濟(jì)，適用、方便，方便施工，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法在房屋的設(shè)計(jì)中，不但滿足建筑的美觀效應(yīng)，而且滿足對(duì)建筑行業(yè)對(duì)房屋結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)利益的訴求，適應(yīng)激烈的市場經(jīng)濟(jì)競爭。