解析優(yōu)化技術(shù)在土建結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

張水兵

摘要：近年來，我國的國民經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，在這樣的社會經(jīng)濟(jì)背景下，建筑行業(yè)得到了快速的發(fā)展，本文主要講述了土建結(jié)構(gòu)設(shè)計中的優(yōu)化技術(shù)，并對優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行了具體的分析研究，希望能夠提高土木建筑行業(yè)的施工技術(shù)水平。

關(guān)鍵詞：優(yōu)化技術(shù)；土建結(jié)構(gòu)；設(shè)計

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們的物質(zhì)文化生活水平越來越高，同時，人們對當(dāng)下生活居住環(huán)境的要求也不斷提高，在這種環(huán)境背景下，房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作面臨的考驗越來越嚴(yán)峻。土建結(jié)構(gòu)設(shè)計中的優(yōu)化技術(shù)需要根據(jù)項目工程的實際情況進(jìn)行確定，通過一系列的精確計算，對房屋的建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。土建結(jié)構(gòu)設(shè)計中運(yùn)用優(yōu)化技術(shù)，能夠提高土建施工過程中房屋結(jié)構(gòu)的安全性、耐用性以及美觀性，根據(jù)這些情況，如何更好的將優(yōu)化技術(shù)運(yùn)用到土木建筑結(jié)構(gòu)中，逐漸成為建筑設(shè)計領(lǐng)域研究的重點內(nèi)容。

一、優(yōu)化技術(shù)的運(yùn)用對土木建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來的現(xiàn)實意義

在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中合理的運(yùn)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，不僅能夠節(jié)省建筑成本，還能夠使房屋具有美觀性、實用性。每一個房屋建筑開發(fā)商都希望，在滿足房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性和可靠性的同時，盡最大的可能減少房屋建筑投資的成本，獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。

通過對優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行合理利用，能夠維持建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)更大的市場經(jīng)濟(jì)效益。和傳統(tǒng)的房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計相比較，運(yùn)用優(yōu)化技術(shù)能夠減少房屋的工程造價，該工程造價比原有的造價少6%～34%，土建結(jié)構(gòu)中運(yùn)用優(yōu)化技術(shù)，能夠使建筑材料得到充分的利用，實現(xiàn)建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)各單元之間的相互協(xié)調(diào)，并且達(dá)到國家規(guī)定的建筑物安全度。同時，能夠?qū)Ψ课萁ㄖ械恼w結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的優(yōu)化分析，因此，優(yōu)化技術(shù)的合理應(yīng)用，是實現(xiàn)房屋整體設(shè)計安全性、適用性的有效途徑。

優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用，不僅是實現(xiàn)項目經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵點，也是提高房屋整體質(zhì)量的關(guān)鍵。例如在進(jìn)行房屋容積率結(jié)構(gòu)設(shè)計時，因為房屋容積率的的計算方法是通過項目建筑面積和房屋用地面積之比進(jìn)行確定的，通常來講，房屋的占地面積固定不變，因此，容積率大小的決定因素就變成了層高以及樓棟間距，建筑面積越大，層高越高，樓棟之間的距離越小，建筑房屋帶來的經(jīng)濟(jì)效益就會越大，但是，容積率值的提高必須控制在一定的范圍以內(nèi)，否則，會給用戶的居住舒適度造成嚴(yán)重的影響，也會在一定程度上加大地基的承載力度，影響用戶對房屋的安全使用。

二、土建結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化方法

因為土建結(jié)構(gòu)設(shè)計中的優(yōu)化方法比較多，目前還沒有形成統(tǒng)一的優(yōu)化方法。按照優(yōu)化方法的特點進(jìn)行分類，主要包括兩種，即：數(shù)學(xué)規(guī)劃法和優(yōu)化準(zhǔn)則法。

（一）數(shù)學(xué)規(guī)劃優(yōu)化法

數(shù)學(xué)規(guī)劃優(yōu)化法運(yùn)用的基本原理是結(jié)構(gòu)力學(xué)，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，利用數(shù)學(xué)規(guī)劃法、優(yōu)選法等方法尋找結(jié)構(gòu)設(shè)計中的最優(yōu)變量。目前，數(shù)學(xué)規(guī)劃法的運(yùn)用主要是為了解決非線性規(guī)劃問題。數(shù)學(xué)規(guī)劃法在長期的發(fā)展過程中，為了適應(yīng)不同的房屋建筑結(jié)構(gòu)，便形成了不同的算法，這些算法具有實用性以及通用性，并且是在嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚摶A(chǔ)上形成的，在一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計的最優(yōu)化。目前，對于土建結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計還沒有形成特定的形式，主要是根據(jù)不同建筑物結(jié)構(gòu)的實際情況進(jìn)行確定，具體問題具體分析。

（二）優(yōu)化準(zhǔn)則法

優(yōu)化準(zhǔn)則法主要是從工程觀點出發(fā)，滿足建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)中需要的某些準(zhǔn)則，例如滿足能量計算的準(zhǔn)則、應(yīng)力準(zhǔn)則等，之后通過迭代法計算出滿足這些準(zhǔn)則的解。優(yōu)化準(zhǔn)則法的確立主要是從長期的實踐經(jīng)驗總結(jié)中所得，并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行相關(guān)的理論分析、研究、判斷，它的設(shè)計優(yōu)化結(jié)果通常只是接近最優(yōu)化。

優(yōu)化準(zhǔn)則法具有的特點主要有：收斂快、注重分析結(jié)構(gòu)的次數(shù)、設(shè)計變量數(shù)目之間無直接聯(lián)系、工程計算量小等。另外，優(yōu)化準(zhǔn)則法的基本原理比較簡單、直觀且容易實現(xiàn)。其中，滿應(yīng)力設(shè)計計算是最早提出的準(zhǔn)則法，該方法在運(yùn)用的過程中，能夠使材料的強(qiáng)度得到充分的發(fā)揮。優(yōu)化準(zhǔn)則法也可以處理位移、彈性穩(wěn)定、自振頻率等方面存在的限制條件。

優(yōu)化準(zhǔn)則法的主要缺點是使用具有局限性，主要的適用范圍為結(jié)構(gòu)布局和幾何形式已經(jīng)確定的情況。在考慮多種約束、多種變量關(guān)系的時候，優(yōu)化準(zhǔn)則法在結(jié)構(gòu)設(shè)計中不能起到明顯的效果。

三、土木建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計應(yīng)注意的問題

（一）優(yōu)化技術(shù)在土建結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用時應(yīng)注意前期的參與工作

土建結(jié)構(gòu)設(shè)計中的前期設(shè)計方案能夠?qū)ㄖ椖康某杀井a(chǎn)生直接性的影響，但是，很多前期的設(shè)計方案當(dāng)中不包含結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容，這種情況經(jīng)常導(dǎo)致設(shè)計人員在進(jìn)行房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計時，忽略結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性以及可行性。這樣不但加大了房屋建筑人員的工作難度，而且會增加房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的成本，因此，設(shè)計人員在進(jìn)行前期方案設(shè)定的過程中，要融入優(yōu)化設(shè)計方案，盡最大可能減少建筑投資的成本。

（二）設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)注意優(yōu)化技術(shù)的細(xì)節(jié)

設(shè)計人員在進(jìn)行房屋整體結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)注意局部細(xì)節(jié)的處理工作，目前，優(yōu)化設(shè)計已經(jīng)將計算機(jī)技術(shù)以及優(yōu)化設(shè)計中的相關(guān)理論進(jìn)行了結(jié)合，該設(shè)計已經(jīng)從工程實踐問題逐漸轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題，因此相關(guān)的工作人員要不斷提高自己利用計算機(jī)進(jìn)行優(yōu)化技術(shù)設(shè)計的能力，促使自身的設(shè)計更加的科學(xué)合理。

四、優(yōu)化技術(shù)在土建結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

（一）概念設(shè)計優(yōu)化和土建結(jié)構(gòu)設(shè)計

每一個土建結(jié)構(gòu)設(shè)計的方案中，都包含許多的結(jié)構(gòu)以及布局設(shè)計，概念設(shè)計的基本目標(biāo)就是為了保證房屋在多種因素的影響下，仍然可以保持穩(wěn)定性以及實用性。因此，在進(jìn)行房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中，要加大對房屋性能的設(shè)計，避免出現(xiàn)疏漏。

比如，目前的地震災(zāi)害，一旦發(fā)生，人們很難進(jìn)行控制。因此，在房屋的概念結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)當(dāng)把增強(qiáng)房屋的抗震性能列為重要的課題。為了盡最大可能減少地震災(zāi)害造成的損失，要保證房屋建筑材料的性能，采用延性設(shè)計，減緩地震災(zāi)害對房屋產(chǎn)生的作用。

（二）實用性和藝術(shù)性相互融合

建筑物相當(dāng)于建筑師手中的藝術(shù)品，建筑設(shè)計師在進(jìn)行建筑設(shè)計的過程中，始終期望能夠把房屋的實用性和美觀性進(jìn)行完美的融合。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員在保證房屋安全質(zhì)量的情況下，對建筑物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母纳疲M最大可能的實現(xiàn)建筑設(shè)計師的美學(xué)意圖。

在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)滿足設(shè)計師的基本設(shè)計意圖，在進(jìn)行平面布局時，要精確、對稱、具有規(guī)則性，最大限度的減少質(zhì)量和材料剛度之間的差異。

在進(jìn)行豎向布局時，首先應(yīng)滿足房屋的使用功能，保證豎向承重構(gòu)件能夠上下貫通，再運(yùn)用轉(zhuǎn)換層降低結(jié)構(gòu)設(shè)計的難度以及成本。

（三）房屋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化措施

1、在進(jìn)行房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要保證承重柱的截面高度符合建筑施工的要求，進(jìn)而控制橫梁的線剛度比，增強(qiáng)房屋使用的耐用性以及安全性。

2、確保懸挑梁的高度符合標(biāo)準(zhǔn)，懸挑梁在使用時，需要做成截面，這樣可以減小懸挑梁截面的應(yīng)力，防止梁體產(chǎn)生變形。

3、要科學(xué)設(shè)計連續(xù)梁，在設(shè)計中，應(yīng)當(dāng)避免把連續(xù)梁按照單梁的形式進(jìn)行設(shè)計，連續(xù)梁支座上部的負(fù)筋配置要根據(jù)連續(xù)梁的情況合理設(shè)計優(yōu)化。

4、在進(jìn)行施工時，要加大抗震縫之間的寬度，防止地震發(fā)生時，兩側(cè)房體之間發(fā)生碰撞。

結(jié)語

在土建結(jié)構(gòu)設(shè)計中利用優(yōu)化技術(shù)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)建筑物美觀、實用性，還能夠減少建筑投資的成本，實現(xiàn)建筑工程設(shè)計對經(jīng)濟(jì)、實用、美觀和便于施工方面的要求。同時，優(yōu)化技術(shù)的運(yùn)用符合當(dāng)今建筑開發(fā)商對建筑結(jié)構(gòu)效益的需求，也符合建筑市場持續(xù)發(fā)展的需求。

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