房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用探討

姚紅梅

(西南交通大學(xué)希望學(xué)院, 四川南充 637900)

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房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用探討

姚紅梅

(西南交通大學(xué)希望學(xué)院, 四川南充 637900)

【摘要】隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們的生活質(zhì)量普遍提高，對(duì)房屋的功能也有了更高的要求，除了對(duì)房屋建筑一般的實(shí)用價(jià)值和安全性能考慮以外，對(duì)建筑美觀和經(jīng)濟(jì)適用等選擇標(biāo)準(zhǔn)也有所提高。因此建筑設(shè)計(jì)師需要結(jié)合建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和外型條件，將建筑設(shè)計(jì)的安全適用、審美作用、經(jīng)濟(jì)價(jià)值和簡(jiǎn)化施工等因素充分融合到房屋建筑設(shè)計(jì)中，不斷優(yōu)化改善設(shè)計(jì)方案，以滿足人們對(duì)房屋建筑的總體要求。文章主要對(duì)房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行分析探討，研究適用性強(qiáng)的建筑優(yōu)化設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】房屋建筑；優(yōu)化技術(shù)；建筑設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)應(yīng)用

1建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法

房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)一般包含屋基結(jié)構(gòu)優(yōu)化、護(hù)欄結(jié)構(gòu)優(yōu)化、房頂結(jié)構(gòu)優(yōu)化和細(xì)致結(jié)構(gòu)優(yōu)化等設(shè)計(jì)工作。對(duì)房屋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)需要結(jié)合實(shí)際條件，再整體分析考慮，以達(dá)到設(shè)計(jì)的功能需求。然后通過合理設(shè)置建筑的平面布局，來縮小建筑中心和剛度之間的差距，將承載的力度均勻分配。另外，房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)也有效的提高了土地資源的利用率，給建筑行業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也能充分滿足住房用戶的生活需求和安全保障，所以建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)對(duì)房屋建筑意義重大。

1.1優(yōu)化房建結(jié)構(gòu)模型

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的基礎(chǔ)是數(shù)學(xué)模型，所以在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，需要結(jié)合實(shí)際條件來構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，并運(yùn)用科學(xué)合理的優(yōu)化方法來調(diào)整建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以達(dá)到最佳效果。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化模型一般先進(jìn)行設(shè)計(jì)變量的合理選擇，保留牽動(dòng)因素比較小的預(yù)定變量，再以控制建筑成本為目標(biāo)構(gòu)建由建筑尺寸與相關(guān)數(shù)據(jù)所表示的目標(biāo)函數(shù)，最后結(jié)合房屋尺寸、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、變形要求和預(yù)應(yīng)力等因素，全面考慮建筑結(jié)構(gòu)的限制條件，以達(dá)到房屋構(gòu)造最優(yōu)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2優(yōu)化房建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)計(jì)算

優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)屬于非線性的數(shù)學(xué)問題，其中包括很多限制因素和相關(guān)變量。實(shí)際結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)通常采用拉氏乘子法和符合型法等方法，把限制條件換成無限制條件來簡(jiǎn)化計(jì)算過程，再輸入相應(yīng)的運(yùn)算程序就可以得到建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最優(yōu)方案。

1.3優(yōu)化概念設(shè)計(jì)

優(yōu)化過程不能一味的依靠計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)軟件，還應(yīng)結(jié)合計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與人工設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮概念設(shè)計(jì)在優(yōu)化技術(shù)中的關(guān)鍵作用。例如，在進(jìn)行建筑材料優(yōu)化選擇時(shí)，適合采用人工方法分析各類材料的性能；在進(jìn)行技術(shù)參數(shù)設(shè)定時(shí)，適合采用計(jì)算機(jī)方法對(duì)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行優(yōu)化。雖然在設(shè)計(jì)過程中計(jì)算機(jī)能夠有效解決人工難以完成的龐大計(jì)算問題，但是它并不能設(shè)計(jì)出非常切合實(shí)際需求的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。因此在建筑工程的實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況靈活的運(yùn)用概念設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的分析和改進(jìn)，這樣實(shí)現(xiàn)建筑工程整體的最優(yōu)化。

1.4價(jià)值工程優(yōu)化設(shè)計(jì)

價(jià)值工程，即以最少的周期成本有效的實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的必要功能。其核心是通過對(duì)建筑進(jìn)行功能分析，及時(shí)的排除不切實(shí)際的功能需求和過剩功能，以達(dá)到降低成本，提高效益的目的。建筑產(chǎn)品的價(jià)值是由它的成本和功能共同決定的，對(duì)于建筑產(chǎn)品來說，不同的價(jià)值方法帶來的價(jià)值表現(xiàn)也會(huì)有所差異。有些方法是保持建筑成本不變來提高房屋的功能，或是保證功能不變的情況下降低投入成本，還有些方法是小幅度的增加其成本以滿足房屋功能的大幅度提高等。這些方法在做成本分析的時(shí)候，不僅只是考慮建筑生產(chǎn)的總投資，還做到了預(yù)算建筑產(chǎn)品的使用成本和后期維護(hù)成本等全周期的成本分析。

價(jià)值工程必須依照價(jià)值原則性、功能多變性、成本的波動(dòng)性、成本與功能的相互性和創(chuàng)新性等原理來實(shí)施。在工程造價(jià)控制的過程中價(jià)值工程主要考慮的是如何實(shí)現(xiàn)建筑的核心價(jià)值。通過合理的建立項(xiàng)目的內(nèi)部反饋和外部反饋，有效的掌握用戶的實(shí)際需求，以實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目最終的價(jià)值目標(biāo)。

1.5加固過程的優(yōu)化設(shè)計(jì)

為保障建筑物建成后長(zhǎng)期的的安全使用，就需要在建筑過程中制定合理的加固方案。加固方案在一定程度上也決定了建筑物的使用性能，一旦加固方案設(shè)計(jì)失敗，整個(gè)建筑的安全使用將會(huì)受到嚴(yán)重的威脅，基本的的使用標(biāo)準(zhǔn)也根本達(dá)不到，因此就會(huì)給建筑工程帶來不可估量的經(jīng)濟(jì)虧損。加固工程的重點(diǎn)工作是加固方案的制作，由于其具有多樣化的供給、單一化的需求和難以更改的設(shè)計(jì)方向等特點(diǎn)，一旦確定將加固方案實(shí)施到加固工程中，后期就不容易對(duì)加固方案在進(jìn)行調(diào)整，因此會(huì)導(dǎo)致大量的人力、物力和財(cái)力資源的白白浪費(fèi)，所以為了保障和增強(qiáng)房屋建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，必須依照現(xiàn)行規(guī)定的國家標(biāo)準(zhǔn)水平來合理的選擇加固方案，以達(dá)到建筑物使用功能的要求水平。

2優(yōu)化技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

2.1建筑前期設(shè)計(jì)過程優(yōu)化技術(shù)的運(yùn)用

建筑的前期設(shè)計(jì)在整個(gè)建筑經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)中起著主導(dǎo)的作用，會(huì)直接影響建筑項(xiàng)目的總投資量。在房屋設(shè)計(jì)過程中，建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)施方案的落后一直是當(dāng)前普遍存在的問題，如果在設(shè)計(jì)初期不進(jìn)行科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，后期房屋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可能會(huì)產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的損失。所以就要求設(shè)計(jì)人員充分應(yīng)用建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，在前期設(shè)計(jì)過程中選擇可行的結(jié)構(gòu)模型，制定合理建筑設(shè)計(jì)方案，為建筑的整體設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)。

2.2結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)化應(yīng)用

房屋建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)材料將會(huì)直接影響建筑整體的結(jié)構(gòu)性能，表1對(duì)各種材料的性能指標(biāo)做出了對(duì)比。

表1　結(jié)構(gòu)材料性能對(duì)比

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要重視材料的選擇，良好性能的材料是房屋建筑優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)施的重要基礎(chǔ)。比如建筑中混凝土具有良好的抗壓性能，而鋼鐵結(jié)構(gòu)具有良好的抗拉扯能力，這些材料都有其獨(dú)特的用途，充分利用它們的優(yōu)勢(shì)可以在很大程度上提高建筑工程的整體質(zhì)量。事實(shí)證明，在6.9級(jí)的地震區(qū)域中，與普通鋼筋混凝土轉(zhuǎn)換柱相比，型鋼混凝土轉(zhuǎn)換柱作為框支剪力墻結(jié)構(gòu)可以有效地減少20 %左右的截面面積，如果再利用鋼管混凝土柱的抗拉、抗剪和抗壓等優(yōu)勢(shì)還可以進(jìn)一步減小截面面積。因此建筑的有效使用面積和使用功能都會(huì)得到相應(yīng)的增加。由此看來，合理的選擇材料在高層建筑和龐大建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中十分關(guān)鍵。

2.3建筑地基優(yōu)化技術(shù)的運(yùn)用

房屋的地基是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首先任務(wù)，也是施工過程的關(guān)鍵。合理有效的規(guī)劃地基的結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)房屋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。在建筑業(yè)不斷發(fā)展的過程中，由于建筑產(chǎn)品在功能和形態(tài)方面千差萬別，對(duì)地基的選擇標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)各有不同，所以要從實(shí)際情況入手，制定實(shí)際的地質(zhì)勘測(cè)方案。在考慮工程造價(jià)經(jīng)濟(jì)效益的前提下進(jìn)行房屋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以地樁為基礎(chǔ)的地基設(shè)計(jì)則需要對(duì)房屋進(jìn)行具體的受力分析，詳細(xì)的考察地樁材質(zhì)特性，最后選出最優(yōu)的地基設(shè)計(jì)方案。

2.4節(jié)能設(shè)計(jì)技術(shù)的運(yùn)用

在房屋建設(shè)中，建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的作用就是在降低工程造價(jià)的前提下，提升房屋整體的經(jīng)濟(jì)效益。為了提高經(jīng)濟(jì)效益就需要從能源利用的角度選擇節(jié)能系數(shù)較高的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。房屋結(jié)構(gòu)形式一般有3種：第一種是短肢剪力墻結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有較好的抗震性能，所選擇的材料也不多；第二種是框架結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的柱截面比較大，從而影響了房屋的內(nèi)部的布局設(shè)計(jì)；第三種是框架與剪力的融合結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)具有比較強(qiáng)的綜合適應(yīng)能力，抗震和抗側(cè)力的效果也十分良好。因此在選擇優(yōu)化設(shè)計(jì)方案時(shí)需要權(quán)衡以上三種結(jié)構(gòu)類型的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際情況充分考慮建筑的工程造價(jià)和實(shí)際效益，然后選出最佳的房屋建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。

2.5建筑抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的運(yùn)用

安全是檢驗(yàn)房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)，也是住戶考慮的基本問題之一。當(dāng)遇到不可抵抗的自然因素時(shí)，房屋的安全會(huì)受到巨大的威脅，因此在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要充分考慮地震荷載作用，采取合理的設(shè)計(jì)方案和有效措施來增強(qiáng)房屋建筑的抗震能力。通過學(xué)習(xí)和觀察，可以發(fā)現(xiàn)為了提高抗震能力，大多數(shù)建筑設(shè)計(jì)采用了結(jié)構(gòu)對(duì)稱式的方法，可用來增大建筑物的延伸性，減小建筑的危險(xiǎn)截面，使其荷載被均勻支撐。其中延伸建筑結(jié)構(gòu)可以利用次要的結(jié)構(gòu)來保護(hù)建筑的主體以提高建筑結(jié)構(gòu)抗震性能。除此之外，建筑設(shè)計(jì)還要對(duì)細(xì)致結(jié)構(gòu)做優(yōu)化處理。在整體設(shè)計(jì)完成后，對(duì)基礎(chǔ)部分的設(shè)計(jì)還要加強(qiáng)精細(xì)處理?！凹?xì)節(jié)決定成敗”就充分說明了細(xì)致工作在整個(gè)建筑設(shè)計(jì)過程中的重要作用，所以做好精細(xì)設(shè)計(jì)是建筑過程必不可少的基礎(chǔ)工作。

3總結(jié)

房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的優(yōu)化技術(shù)一方面提高了建筑的安全性、實(shí)用性和多功能要求，另一方面也增強(qiáng)了建筑的美觀效果。所以設(shè)計(jì)人員應(yīng)該將優(yōu)化技術(shù)充分運(yùn)用到房屋建筑設(shè)計(jì)當(dāng)中，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行合理選擇，以達(dá)到降低建筑工程預(yù)算成本的作用。隨著科學(xué)發(fā)展觀的不斷深化，設(shè)計(jì)過程更需要緊密的結(jié)合直覺優(yōu)化技術(shù)，提高房屋建筑安全結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的抗震作用，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益的最大化。

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[作者簡(jiǎn)介]姚紅梅(1989～)，女，碩士研究生，助教，研究方向?yàn)榻ㄖY(jié)構(gòu)。

【中圖分類號(hào)】TU318.2

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

[定稿日期]2016-04-17