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

唐加鎮(zhèn)

【摘要】要讓建筑體的結(jié)構(gòu)設(shè)計不斷實現(xiàn)優(yōu)化，需要從設(shè)計過程的各個階段有所考慮。前期的方案設(shè)計中應(yīng)當(dāng)更好的讓一些優(yōu)化的設(shè)計方法與設(shè)計理念得以滲透，隨后的細節(jié)處理中同樣需要對于一些細部做相關(guān)的設(shè)計與完善。此外，地基的選型與設(shè)計是結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要組成，本文對此進行了分析研究。

【關(guān)鍵詞】建筑結(jié)構(gòu)；設(shè)計；優(yōu)化方法；房屋結(jié)構(gòu)；設(shè)計；應(yīng)用

建筑體的結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅會直接決定整個建筑的安全性與穩(wěn)定性，優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案與結(jié)構(gòu)設(shè)計理念同樣能夠在保障建筑體的基本性能的同時更好的讓建筑體實現(xiàn)其經(jīng)濟效益。這也是對于優(yōu)化的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方法不斷展開探究的原因所在。

一、結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法

完美的建筑是在滿足人們使用功能及視覺感受的前提下，充分滿足使用者和社會所期望的各種要求。依據(jù)設(shè)計的要求，把力學(xué)概念與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計進行有機結(jié)合，讓參與計算的量部分可以以變量部分出現(xiàn)，進而形成結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方案域，運用數(shù)學(xué)手段，在域中找到可以滿足要求的結(jié)構(gòu)優(yōu)化最佳設(shè)計方案。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的本質(zhì)以力學(xué)理論和數(shù)學(xué)規(guī)劃理論為理論基礎(chǔ)，以計算機技術(shù)為工具，對建筑結(jié)構(gòu)涉及到的各個變量進行尋找優(yōu)化決策的先進的設(shè)計方法，其本質(zhì)就是求極值問題。1）優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。建立正確合理的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵步驟，基于正確的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型是得到正確優(yōu)化結(jié)果的基礎(chǔ)。例如，在優(yōu)化模型中，數(shù)學(xué)模型中的等式約束個數(shù)應(yīng)當(dāng)小于設(shè)計變量的個數(shù)，這樣才能求得最優(yōu)解。2）優(yōu)化數(shù)學(xué)算法和優(yōu)化迭代控制。對于建立的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，雖然可用的優(yōu)化算法有多種，但是采用不同的優(yōu)化算法所得到的優(yōu)化效果和所花費的求解時間會有差別。所以，快速、有效的數(shù)學(xué)優(yōu)化算法也是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的一項關(guān)鍵技術(shù)。3）結(jié)構(gòu)分析方法。絕大多數(shù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計問題難以采用解析法求解，而是采用數(shù)值法的方法。數(shù)值解的尋優(yōu)實際上是一個優(yōu)化迭代過程，而每次優(yōu)化迭代都需要進行結(jié)構(gòu)分析。實現(xiàn)以上提到的關(guān)鍵技術(shù)需要經(jīng)過建立可靠的優(yōu)化模型，然后采用適當(dāng)?shù)膬?yōu)化算法進行求解。這其中選擇計算簡便且正確率高的優(yōu)化算法顯得尤為重要。

二、民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計和經(jīng)濟性的關(guān)系

1. 結(jié)構(gòu)設(shè)計與用地的關(guān)系

結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化方法必須遵循相關(guān)的經(jīng)濟性原則，這也是探討民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計和經(jīng)濟性間的關(guān)系的必要性所在。首先，結(jié)構(gòu)設(shè)計和建筑用地間有著非常直接的聯(lián)系。一方面，建筑用地的選取將會直接決定后期所采取的一些結(jié)構(gòu)設(shè)計的方案以及需要的建筑用材，這些都會直接和建筑的建造成本掛鉤。另一方面，隨著現(xiàn)在民用建筑的高度不斷增加，對于那些高層建筑如何有效的控制其穩(wěn)定性與抗震性，這是結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要著重考慮的一點。高層建筑雖說能夠一定程度減少用地面積，但是建造的成本會更高，如何做好這兩個方面的平衡，這是結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化時需要著重考慮的問題。

2. 結(jié)構(gòu)設(shè)計和造價的關(guān)系

結(jié)構(gòu)設(shè)計和整個建筑體的造價間的聯(lián)系是十分緊密的，這也是一個重要的討論點。對于那些追求造型新穎、結(jié)構(gòu)設(shè)計有所創(chuàng)新的建筑體，其建造成本必然會更高，建造的難度也會更大。這會使得項目在單位面積上投入的成本更大。如何處理好這種造價與設(shè)計間的平衡，這是結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化中需要有所考慮的問題。

3. 高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計和經(jīng)濟性的關(guān)系

現(xiàn)在的住宅普遍朝著層高越來越高的方向發(fā)展，這確實能夠提高單位土地的利用效率，但是高層建筑在結(jié)構(gòu)設(shè)計上也提出了更高的要求。高層建筑不僅需要在地基上做特殊處理，對于建筑體的墻體面積和柱體面積也會顯著上升，這會直接提升整個建筑體的負重，對于建筑體的抗震性與穩(wěn)定性都會提出更高的要求，也會讓建筑自身的建造成本直線上升。如何處理好高層住宅的結(jié)構(gòu)設(shè)計與經(jīng)濟性間的平衡，這也是結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化中需要處理的一個問題。

三、結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法探究

1. 前期方案設(shè)計階段

前期的方案設(shè)計是建筑體整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計輪廓得以落實的階段，這個時期的結(jié)構(gòu)設(shè)計中就能夠讓一些優(yōu)化的設(shè)計方法與設(shè)計理念很好的得以滲透。一方面，可以綜合衡量建筑體對于經(jīng)濟性與穩(wěn)定性的追求，盡可能的平衡兩者間的關(guān)系，這不僅能夠減少不必要的建筑成本，也能夠為建筑體的安全性與穩(wěn)定性提供保障。另一方面，對于一些設(shè)計重點與設(shè)計難點要逐一攻破，要借助先進的模型進行全面的數(shù)據(jù)分析，最后確立一套最為合理可行的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

2. 細部結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的整體方案得到落實后，隨后仍然會需要對于一些細部做相關(guān)的設(shè)計與完善，這一階段的結(jié)構(gòu)設(shè)計中仍然有很多值得優(yōu)化的地方。很多結(jié)構(gòu)設(shè)計的不合理都是體現(xiàn)在細節(jié)的疏忽上，因此，設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)不放過對于每一個細節(jié)的處理，要讓每一個方面都有充分的考慮，并且有最為合適的結(jié)構(gòu)設(shè)計。只有將每一個細節(jié)都處理的更好，建筑體的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量才能夠有本質(zhì)上的提升，這也是結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的一個重要途徑。

3. 地基設(shè)計的優(yōu)化

地基的選型與設(shè)計是結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要組成，這也是結(jié)構(gòu)設(shè)計中具備很大完善與優(yōu)化空間的一個領(lǐng)域。隨著高層建筑的不斷增多，各種造型新穎獨特的建筑體的不斷出現(xiàn)，這些建筑在打造的過程中對于結(jié)構(gòu)設(shè)計都提出了更高的要求，尤其是對于地基的選型與設(shè)計提出了更為苛刻的要求。地基的設(shè)計是保障建筑體的抗震性與穩(wěn)定性的基石，因此，在這方面進行設(shè)計時一定要更為優(yōu)化。合適的穩(wěn)固的地基才能夠為建筑體提供更為安全穩(wěn)定的建造與使用環(huán)境。

結(jié) 語：想要讓建筑體的結(jié)構(gòu)設(shè)計不斷實現(xiàn)優(yōu)化，這需要從設(shè)計過程的各個階段有所考慮。前期的方案設(shè)計中應(yīng)當(dāng)更好的讓一些優(yōu)化的設(shè)計方法與設(shè)計理念得以滲透，隨后的細節(jié)處理中同樣需要對于一些細部做相關(guān)的設(shè)計與完善。此外，地基的選型與設(shè)計是結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要組成，這也是結(jié)構(gòu)設(shè)計中具備很大完善與優(yōu)化空間的一個領(lǐng)域。

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