建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的應(yīng)用研究

張 浩孟玲輝(山東省濱州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 56600 山東省濱州城建集團(tuán)公司 56600)

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的應(yīng)用研究

張 浩1孟玲輝2
(1山東省濱州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 256600 2山東省濱州城建集團(tuán)公司 256600)

本文主要講述了在對(duì)建筑的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)所運(yùn)用到的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化理論方法，應(yīng)用這種方法可以得到建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化模型以及相關(guān)的計(jì)算方法，從而在實(shí)際的建筑房屋設(shè)計(jì)中體現(xiàn)出其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特征。將該種方法的理論運(yùn)用到實(shí)際中去，對(duì)于節(jié)約建筑物的成本有著極大的好處。在現(xiàn)實(shí)生活的建筑設(shè)計(jì)中，該理論方法具有很強(qiáng)的可操作性，為今后在建筑行業(yè)中應(yīng)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化理論提供了充足的理論依據(jù)，對(duì)于建筑行業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展具有深刻的意義。

建筑物；設(shè)計(jì)優(yōu)化；建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著我國(guó)現(xiàn)代化步伐的加快，經(jīng)濟(jì)水平的逐步提高，人民生活水平相較以前有了極大的提高。人們對(duì)生活的要求越來(lái)越高，其中就包括住房問題。人口的持續(xù)增長(zhǎng)使得城市里的高樓大廈越來(lái)越多，而與此相對(duì)應(yīng)的，城市里可用來(lái)開發(fā)房地產(chǎn)的土地資源卻越來(lái)越少，土地資源有限，人口與土地資源的矛盾日益顯得嚴(yán)重，這樣的后果就是直接推動(dòng)了土地價(jià)格的上漲，開發(fā)商在開發(fā)建筑物時(shí)所需要付出的成本也越來(lái)越高，人民的住房壓力也越來(lái)大。如何降低房屋的建設(shè)成本就成為開發(fā)商一個(gè)急需解決的問題，將建筑物的開發(fā)成本控制在一個(gè)相對(duì)合理的水平里面。

1 優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

目前社會(huì)上的許多建筑物在外觀上都可以給人帶來(lái)一種愉悅的享受，這是因?yàn)樵诮ㄖ氖┕ぴO(shè)計(jì)上采用了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)理論，使二者能夠非常有效的結(jié)合在一起，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了外觀美感的提高。在生產(chǎn)實(shí)踐中，我們對(duì)建筑物的要求一般都是安全實(shí)用、美觀、建筑施工簡(jiǎn)單方便等目標(biāo)。本文所闡述的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化理論就能夠?qū)ㄖ锏脑O(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而滿足人們對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、外表美觀的要求，它還能夠使建筑物的性能更加安全、建設(shè)成本進(jìn)一步降低，向真正的“經(jīng)濟(jì)適用型”建筑物接近。從建筑學(xué)的角度來(lái)分析，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)優(yōu)化理論主要體現(xiàn)在對(duì)建筑工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行總體的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及優(yōu)化設(shè)計(jì)建筑工程結(jié)構(gòu)這兩個(gè)方面上。

1.1 建筑模型的優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

在進(jìn)行一項(xiàng)大工程的實(shí)際設(shè)計(jì)施工前，首先設(shè)計(jì)出一個(gè)建筑模型，然后對(duì)該建筑模型進(jìn)行理論上的優(yōu)化是十分必要的。對(duì)建筑工程進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要包含以下幾個(gè)方面：對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)、對(duì)結(jié)構(gòu)的具體部分以及屋蓋系統(tǒng)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。除了對(duì)這些部分要做一些必要的優(yōu)化設(shè)計(jì)以外，對(duì)建筑物的造型、整體布局、結(jié)構(gòu)受力分析、工程造價(jià)等等各方面進(jìn)行具體的優(yōu)化設(shè)計(jì)也是有必要的。在優(yōu)化這些設(shè)計(jì)的過程中，所有的工作都是從實(shí)踐出發(fā)，依據(jù)工程的實(shí)際情況，以建筑物的綜合經(jīng)濟(jì)價(jià)值為目標(biāo)來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在實(shí)際的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，首先要明白設(shè)計(jì)的意圖，實(shí)現(xiàn)了該目標(biāo)后，再要使建筑物的空間布置比較有規(guī)則，減小剛度與質(zhì)量中心的差異性，采用了這種做法，可以有效避免水平荷載和建筑物之間過大的扭轉(zhuǎn)作用力。在垂直方向上要減少轉(zhuǎn)換層的使用，從而避免應(yīng)力都集中在一塊。

約束房屋結(jié)構(gòu)可靠度的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要包含以下條件：裂縫寬度以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度約束、應(yīng)力以及尺寸約束、從正常時(shí)的極限狀態(tài)下彈性約束到終極狀態(tài)的彈塑性約束、從可靠指標(biāo)約束到確定性約束條件等等。在實(shí)際的建筑物設(shè)計(jì)中，我們要做到各種約束條件都滿足現(xiàn)行的各種規(guī)章制度，符合行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.2 建筑模型的優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的計(jì)算方案。

在完成了計(jì)算方案的設(shè)計(jì)后，我們只需要再設(shè)計(jì)一種符合要求的程序，應(yīng)用該程序就可以得到對(duì)建筑物的最終優(yōu)化結(jié)果。但是在實(shí)際操作中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要對(duì)多個(gè)約束條件以及多個(gè)變量進(jìn)行優(yōu)化，這就涉及到非線性化的優(yōu)化問題，因此，在設(shè)計(jì)程序時(shí)，要將有約束條件的相關(guān)變量轉(zhuǎn)化成為無(wú)約束條件的變量來(lái)進(jìn)行計(jì)算。在實(shí)際的建筑工程實(shí)踐中，常用的計(jì)算方法有拉氏乘子法、Powell 算法和符合型等，可以利用這些方法對(duì)建筑物的模型設(shè)計(jì)出合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

2 優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)在實(shí)踐中的應(yīng)用

在對(duì)建筑物模型設(shè)計(jì)好了優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案后，就可以在實(shí)際設(shè)計(jì)施工中應(yīng)用該理論方法。結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)優(yōu)化理論是當(dāng)前一個(gè)非常常見的研究項(xiàng)目，要想實(shí)現(xiàn)將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化理論應(yīng)用于實(shí)踐中，但不可以改變建筑物的適用性能，而且可以實(shí)現(xiàn)降低工程造價(jià)的目標(biāo)，這是從事建筑行業(yè)的設(shè)計(jì)人員一直追求的目標(biāo)。在建筑物項(xiàng)目的整體設(shè)計(jì)以及前期設(shè)計(jì)中，老舊危房的改造以及相關(guān)建筑物的抗震設(shè)計(jì)等各個(gè)環(huán)節(jié)中應(yīng)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化理論，會(huì)產(chǎn)生極大的經(jīng)濟(jì)效益。

在應(yīng)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化理論對(duì)建筑物的模型進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，要特別對(duì)以下三個(gè)方面的問題加以注意：進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的前期工作，優(yōu)化概念設(shè)計(jì)以及細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，優(yōu)化地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)部分。下文將就這三方面的問題加以詳細(xì)的討論。

2.1 參與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的前期工作

建筑物的前期設(shè)計(jì)方案對(duì)建筑物的總造價(jià)有著直接的影響，但是現(xiàn)在存在的主要的問題就是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中并不包含在前期方案的階段中，設(shè)計(jì)師在對(duì)建筑物進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)一般情況下不會(huì)將結(jié)構(gòu)的可行性及其合理性考慮進(jìn)去，但是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)果是與建筑設(shè)計(jì)的結(jié)果息息相關(guān)的，設(shè)計(jì)師的某些方案或許會(huì)增加建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度，造成施工難度加大，從而導(dǎo)致建筑物的總投資比預(yù)期要高出許多。如果將結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)融入到建筑設(shè)計(jì)方案的初期中去，那么建筑師們就可以針對(duì)不同的建筑物選擇相應(yīng)的結(jié)構(gòu)方案和設(shè)計(jì)方案，使得建筑物在結(jié)構(gòu)上有根本的質(zhì)量保證。

2.2 將概念設(shè)計(jì)和細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化

概念設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于抽象化的建筑物指標(biāo)中，比方說(shuō)地震設(shè)防烈度，由于實(shí)際情況的地震強(qiáng)度具有不可預(yù)測(cè)性，通過計(jì)算程序得到的結(jié)果與現(xiàn)實(shí)的具體情況還是有很大差異的，在進(jìn)行類似指標(biāo)的設(shè)計(jì)時(shí)就要運(yùn)用到概念設(shè)計(jì)的相關(guān)理念和方法，通過這種方法可以得到一個(gè)數(shù)值，然后將這個(gè)數(shù)值作為設(shè)計(jì)的輔助和參考的依據(jù)。在實(shí)際的建筑物設(shè)計(jì)中，需要建筑設(shè)計(jì)師采用多種方案，靈活運(yùn)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法，得出最符合要求的方案，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的效果達(dá)到最佳。

3 優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)際價(jià)值

在建筑物的設(shè)計(jì)中，對(duì)建筑物進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化顯得十分重要，因?yàn)槭褂媒Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一方面可以降低建筑物的投資，另一方面可以提高建筑物結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性，這些對(duì)于建筑物的建設(shè)來(lái)說(shuō)具有實(shí)際價(jià)值。

3.1 通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)降低總造價(jià)

在實(shí)際的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，多層建筑物和高層建筑物有著明顯的不同，根據(jù)實(shí)際情況來(lái)說(shuō)，建筑物的層數(shù)越多，相對(duì)應(yīng)的總建筑面積就越大，建筑物單位面積所占用的土地資源就越小，這雖然可以節(jié)約土地資源，但隨著建筑物層數(shù)的增加，各建筑物與建筑物之間的間距也會(huì)加大，這種情況就不能說(shuō)土地的使用量與建筑物層數(shù)是呈正相關(guān)了?？紤]到屋蓋部分，不管層數(shù)多少，一棟樓只有一個(gè)屋蓋，所以樓數(shù)增加可以使建筑成本下降。但是基礎(chǔ)部分會(huì)隨著建筑物層數(shù)的增加承載的荷載相應(yīng)會(huì)增加，這就需要對(duì)該部分加大投資，單位面積的造價(jià)就會(huì)下降，但不會(huì)像屋蓋那樣明顯。

3.2 通過進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化來(lái)提高建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性

建筑物越高，水衛(wèi)和電氣的管線相對(duì)應(yīng)的也會(huì)增加。但建筑物高度越低，可以節(jié)約材料，各建筑物之間的距離減少，可節(jié)約土地資源。建筑物形狀的不同其受力性能也不同，提高建筑的經(jīng)濟(jì)性能。

4 結(jié)論

在建筑物的實(shí)際設(shè)計(jì)中采用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，能實(shí)現(xiàn)對(duì)有限資源的最大程度的利用，達(dá)到經(jīng)濟(jì)化、適用性以及實(shí)用性的目標(biāo)。這可以滿足人們對(duì)建筑物的各方面的要求，提高人們的居住環(huán)境和生活環(huán)境。與此同時(shí)，這也可以讓建筑商尋找新措施來(lái)滿足顧客的要求，降低成本。

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1007-6344（2016）04-0087-01