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)中的應(yīng)用

喻華

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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)中的應(yīng)用

喻華

海口市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院廈門分院（361000）

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需要的資金在整個(gè)房屋建筑建設(shè)過程所占比例較大，為了確保房屋建筑的質(zhì)量，減少結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)資金投入，提高建筑的功能性，可以通過優(yōu)化房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)，既要考慮各種變量參數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的建立，又要結(jié)合房屋建筑工程的具體要求不斷演算、核定、優(yōu)化，選擇最佳的設(shè)計(jì)方案。關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；優(yōu)化方法

0 引言

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展加劇了建筑行業(yè)的內(nèi)部競(jìng)爭(zhēng)，而隨著國民經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，民眾對(duì)于建筑物美觀性和經(jīng)濟(jì)性方面的要求也不斷提高。要在保證建筑工程質(zhì)量，強(qiáng)調(diào)建筑功能合理、美觀實(shí)用的同時(shí)，最大限度地節(jié)約建筑成本，獲取最大經(jīng)濟(jì)效益，設(shè)計(jì)人員就必須采取適當(dāng)?shù)姆椒▽?duì)房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行不斷優(yōu)化和改進(jìn)。

1 房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化理念

1.1 房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方向

在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)，應(yīng)著眼于建筑的安全性、適用性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性。

房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化并不是一味強(qiáng)調(diào)節(jié)約材料和成本，而是必須在確保建筑設(shè)計(jì)達(dá)標(biāo)、建筑物足夠安全的前提下，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行專業(yè)論證，通過改進(jìn)設(shè)計(jì)使得房屋設(shè)計(jì)更加完善。實(shí)用性也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的主要方向之一。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后的房屋建筑，不僅在品質(zhì)方面更加優(yōu)秀，也更能滿足使用者的實(shí)際需求。人們環(huán)保意識(shí)不斷增強(qiáng)，在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)該多選用綠色環(huán)保材料，減少甲醛等有害物質(zhì)的產(chǎn)生。

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.2房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化理念的意義

在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中運(yùn)用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)，有助于在確保建筑工程質(zhì)量的同時(shí)提高建筑企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。企業(yè)要在激烈的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)中占有一席之地，就必須在滿足建筑企業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)效益的同時(shí)，盡最大可能減少在建筑結(jié)構(gòu)方面的投資。與傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相比，采用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法可以降低6%～35%的工程造價(jià)，從而實(shí)現(xiàn)縮短工期、節(jié)約投資、保證質(zhì)量的目標(biāo)。

我國現(xiàn)階段的房屋建筑，以高層和超高層為主。如果能夠在房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，充分考慮并發(fā)揮建筑材料的性能和建筑施工技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，將有助于建筑材料性能和建筑結(jié)構(gòu)各單位之間的協(xié)調(diào)，在提升建筑結(jié)構(gòu)的安全性和功能性方面，較之傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更具優(yōu)勢(shì)。因此，建筑企業(yè)逐漸開始重視對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

1.3 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法原則

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的目的是要使設(shè)計(jì)出來的建筑結(jié)構(gòu)滿足建筑企業(yè)對(duì)成本和質(zhì)量的要求，同時(shí)滿足社會(huì)大眾的現(xiàn)代化建筑的需求?，F(xiàn)代人們對(duì)于住房的要求除了需要滿足日?；旧罟δ芡?，更加重視居住環(huán)境的舒適程度。因此，房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，必須符合社會(huì)大眾和建筑企業(yè)的需求，將安全、舒適和環(huán)保放在第一位，使用戶能夠放心的長(zhǎng)期居?。煌瑫r(shí)，要最大程度上優(yōu)化建筑材料、項(xiàng)目資源的分配，為建筑企業(yè)節(jié)約建設(shè)成本。

房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師在優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要在前期經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，不斷引進(jìn)新的技術(shù)，并對(duì)房屋結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)思路進(jìn)行大膽創(chuàng)新，使設(shè)計(jì)出來的建筑結(jié)構(gòu)作品更具實(shí)用性,以滿足使用者對(duì)房屋功能、房屋品質(zhì)的需求。

2 房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法

2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型分析

構(gòu)建優(yōu)化模型，首先要科學(xué)合理地選擇對(duì)建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響的關(guān)鍵性參數(shù)作為變量；結(jié)構(gòu)造價(jià)、相對(duì)可靠性等參數(shù)既是目標(biāo)參數(shù)，又是建筑約束控制參數(shù)，需進(jìn)行嚴(yán)格控制；而變化范圍小、影響不大的要素，滿足部分設(shè)計(jì)參數(shù)即可。

為了盡可能的降低工程造價(jià)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型中的目標(biāo)函數(shù)需要考慮鋼筋的截面積，滿足條件的截面的幾何尺寸及已失效的概率函數(shù)。而優(yōu)化設(shè)計(jì)約束條件的確立，必須在保證結(jié)構(gòu)可靠度的前提下，通過對(duì)建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、應(yīng)力、尺寸、構(gòu)建單元等約束條件的科學(xué)優(yōu)化來進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的確定。此外，為了實(shí)現(xiàn)最佳的設(shè)計(jì)效果，需要對(duì)目標(biāo)約束條件和實(shí)際約束條件進(jìn)行綜合比較分析，以確保每個(gè)約束條件都滿足房屋建筑工程整體施工要求。

2.2 設(shè)定優(yōu)化的設(shè)計(jì)計(jì)算

在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化中，結(jié)構(gòu)的整體布置至關(guān)重要。不合理的建筑結(jié)構(gòu)布置，將對(duì)房屋建筑的安全性、實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性等方面產(chǎn)生嚴(yán)重影響。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)，設(shè)計(jì)師需要對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果和作用產(chǎn)生影響的結(jié)構(gòu)造價(jià)、應(yīng)力約束、彈性約束、結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定度等元素作為變量，建立數(shù)學(xué)模型，通過確定約束條件計(jì)算出房屋整體模型的控制參數(shù)和目標(biāo)，以科學(xué)地?cái)?shù)學(xué)知識(shí)計(jì)算并得出最優(yōu)結(jié)構(gòu)。在組合、帶入、計(jì)算過程中，會(huì)涉及到大量數(shù)學(xué)知識(shí)，這就需要設(shè)計(jì)師在程序設(shè)計(jì)時(shí)，能夠綜合考慮結(jié)構(gòu)優(yōu)化模式和變量元素，通過計(jì)算和驗(yàn)證找出設(shè)計(jì)中存在的問題，并及時(shí)改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。在具體實(shí)踐中，設(shè)計(jì)師通常采用預(yù)訂式參數(shù)的方式,盡量減少設(shè)計(jì)、計(jì)算、編程等環(huán)節(jié)的工作量，在提高工作效率的同時(shí)，確保房屋建筑整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的完整性。在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化中,多采用拉氏乘子法、Powell算法等計(jì)算方法。

2.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化的合理統(tǒng)計(jì)結(jié)論應(yīng)用

當(dāng)計(jì)算出函數(shù)模型結(jié)果后，需對(duì)其必要性進(jìn)行分析，并在分析的基礎(chǔ)上選擇最佳設(shè)計(jì)方案。在具體分析的過程中，設(shè)計(jì)師需要全面考慮設(shè)計(jì)施工過程中可能存在的隱患，從安全性、實(shí)用性和美觀性出發(fā)選擇科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方案，以保證建筑工程質(zhì)量。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化中，要綜合考慮建筑技術(shù)要求和資金投入，不能片面強(qiáng)調(diào)其中某一項(xiàng)，否則將對(duì)整個(gè)建筑工程質(zhì)量和建筑的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

3 房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化應(yīng)用分析

3.1 結(jié)構(gòu)類型的節(jié)能優(yōu)先應(yīng)用分析

對(duì)房屋結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的就是在確保工程質(zhì)量的前提下，降低工程造價(jià)，提高經(jīng)濟(jì)效益。為此，需要從節(jié)能角度出發(fā)，優(yōu)化選擇節(jié)能系數(shù)較高的設(shè)計(jì)方案。房屋結(jié)構(gòu)一般有框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框剪結(jié)構(gòu)三種?？蚣芙Y(jié)構(gòu)柱截面較大，對(duì)房屋內(nèi)部布局設(shè)計(jì)影響較大；剪力墻結(jié)構(gòu)所選擇材料較少，抗震性能較好；框剪結(jié)構(gòu)則綜合二者性能，既具有較強(qiáng)的綜合適應(yīng)能力，又具有較好的抗震和抗側(cè)力性能。在選擇結(jié)構(gòu)類型時(shí)，應(yīng)綜合考慮房屋建筑工程質(zhì)量安全和經(jīng)濟(jì)效益，綜合考量三種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇最佳的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

此外，設(shè)計(jì)師可以以建筑總能耗構(gòu)建適應(yīng)度目標(biāo)函數(shù)，采用遺傳算法的自動(dòng)反向?qū)ふ易顑?yōu)解的計(jì)算模型對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，從而計(jì)算出滿足節(jié)能要求的空間幾何、照明取暖系統(tǒng)、能耗性能等參數(shù)的最佳組合。

3.2 信息技術(shù)應(yīng)用

當(dāng)前,信息技術(shù)與建筑工程的融合越來越多。在工程建模和數(shù)據(jù)分析等環(huán)節(jié)，雖然不同項(xiàng)目會(huì)采取不同的設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，但往往都需要通過信息技術(shù)來獲取并分析房屋建筑工程中的各項(xiàng)參數(shù)，從而建立起房屋結(jié)構(gòu)模型。技術(shù)人員通過模型能夠直觀地掌握各種參數(shù)并對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，從而選定合理的設(shè)計(jì)方案，更好地控制房屋建筑結(jié)構(gòu)的整體性能。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，在未來的建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化中，信息技術(shù)的運(yùn)用將越來越廣泛。

3.3 結(jié)構(gòu)與建筑優(yōu)化

結(jié)構(gòu)荷載、基礎(chǔ)拉梁結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、鋼筋混泥土結(jié)構(gòu)是房屋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。在房屋結(jié)構(gòu)荷載的設(shè)計(jì)上，設(shè)計(jì)師需要充分考慮周邊地質(zhì)情況、地基受荷載情況，并結(jié)合氣候等條件對(duì)其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)?；A(chǔ)拉梁的結(jié)構(gòu)，不僅需要考慮地質(zhì)情況和氣候條件，更需要結(jié)合建筑高度和層數(shù)的要求綜合考慮建筑整體防震性和穩(wěn)固性，并綜合計(jì)算基礎(chǔ)拉梁和基礎(chǔ)樁基的配筋率，確保拉梁和樁基的一致。在剪力墻和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，需要事先分別對(duì)建筑結(jié)構(gòu)整體的受力情況和建筑中各部件的受力情況進(jìn)行演算,通過不斷核定、優(yōu)化每個(gè)單元截面上的受力，得出最合適、最穩(wěn)定的房屋整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

4 總結(jié)

在房屋結(jié)構(gòu)中運(yùn)用設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的主要目的是為了在保證工程質(zhì)量的前提下,降低工程造價(jià)，從而創(chuàng)造最大的經(jīng)濟(jì)效益。在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)，不僅要選擇科學(xué)、合理的變量參數(shù)建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算、分析，更要以安全、節(jié)能為目標(biāo)，對(duì)房屋建筑結(jié)構(gòu)和能耗進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)房屋建筑功能性與審美價(jià)值的統(tǒng)一、經(jīng)濟(jì)性和質(zhì)量安全的統(tǒng)一。

[1]張雷.淺論建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探討[J].工程技術(shù)(引文版),2017(1)：277.