建筑結構設計中設計優(yōu)化方法的應用

儲開文 （中冶華天工程技術有限公司，安徽 馬鞍山 234000）

1 建筑結構設計的五種優(yōu)化方法

1.1 對數(shù)據(jù)模型進行優(yōu)

在進行結構設計優(yōu)化時，可以采取多種優(yōu)化方法，而數(shù)據(jù)模型就是優(yōu)化的基礎。所以，在進行結構設計時，應根據(jù)實際情況建立數(shù)學模型，與此同時，通過科學、有效、合理的優(yōu)化方法來對結構設計進行相應調整，以達成最好的效果。在對房建結構的數(shù)據(jù)模型進行優(yōu)化時，首先是挑選合適的設計變量，保持牽動條件比較小的預定變量，再以減少資金投入控制建筑成本為目標，創(chuàng)造以建筑尺寸和有關數(shù)據(jù)所代表的目標函數(shù)，再結合房屋的預應力因素、結構強度因素、變形要求和尺寸數(shù)據(jù)，充分考慮建筑結構的所有限制因素，以實現(xiàn)最好的房屋結構的設計標準。

1.2 對數(shù)學計算進行優(yōu)化

結構設計的優(yōu)化與非線性數(shù)據(jù)是相關的，其中含有許多的限制條件以及變量。在實際進行優(yōu)化時，經(jīng)常會用到符合型法以及拉氏乘子法等方法，將限制條件更換成無限制條件，把計算過程簡化，然后再通過一定的運算程序，就能獲得建筑結構設計的最佳方案。

1.3 對概念設計進行優(yōu)化

在優(yōu)化時，不可以只通過計算機設計軟件對結構進行優(yōu)化，還需要與實際人工有機結合在一起，將概念設計的作用完全發(fā)揮出來。比如，在對建筑材料進行挑選優(yōu)化的時候，最佳的方案是通過人工對各種材料的性能進行相關分析；在設定對應的技術參數(shù)時，最佳的方案是運用計算機的設計軟件來優(yōu)化設計標準。雖然進行設計時，可以通過計算機軟件完成數(shù)量巨大的計算問題，這是人工無法快速完成的，但是計算機軟件無法依據(jù)建筑的實際情況制定出最合適的設計方案。因此，在結構設計時，一定要根據(jù)實際情況，合理的使用計算機軟件以及人工兩種方法，來對概念設計進行有效的優(yōu)化。

1.4 對加固過程進行優(yōu)化

為了確保建好的建筑物可以長久安全的使用，就必須在施工的時候制定出符合規(guī)定的加固方案。從某種程度上說，建筑物的加固方案其實對于其使用性能是其決定作用，如果加固方案的設計出現(xiàn)失誤或者是失敗，就會對建筑物的安全使用造成非常大的威脅，不能達到建筑物的最基礎的使用標準，也會由此給建筑工程造成無法估算的經(jīng)濟虧損。建筑物加固工程的重點是對其方案的制作，因為其存在設計方向很難更改，需求的單一性、供給的多樣化等特征，只要加固方案已經(jīng)確定在加固工程中進行實施，后期就很難對其進行調整，如果調整就會出現(xiàn)極大的財力浪費、人力浪費以及物力浪費。因此，為了確保和加強建筑物的結構穩(wěn)定性，就一定要按照當前國家所規(guī)定的標準來選擇合適的加固方案，以便建筑物的使用功能可以符合標準要求。

2 建筑結構設計優(yōu)化策略

2.1 建筑結構的整體優(yōu)化方法

建筑結構優(yōu)化主要是指房屋建筑的整體構造與部分構造的設計兩個部分，這兩個部分相互依賴相輔相成，互為條件缺一不可。而建筑部分的設計優(yōu)化包含很多內容，諸如屋頂?shù)脑O計優(yōu)化、框架的設計優(yōu)化、基礎的設計優(yōu)化、維護優(yōu)化等。這就需要工程技術人員運用所學專業(yè)認真思索、精心設計，在每一具體項目的設計過程中，不但要保證結構的安全性和適用性，還應當有效控制成本。智慧來源于實踐，要實現(xiàn)科學嚴謹?shù)脑O計優(yōu)化，設計人員有必要親自到擬建項目場地實地考察論證，掌握項目相關的第一手資料，做到心中有數(shù)，并在設計中充分考慮現(xiàn)場條件進行優(yōu)化設計。比如，在建筑材料的選擇上，除滿足結構設計的安全性要求及建筑功能設計要求外，盡可能結合當?shù)氐纳a(chǎn)條件及市場條件進行合理選取。再比如，當遇到較為復雜的地質條件時，設計人員也要結合當?shù)氐氖┕l件，采取合理可行的基礎設計方案。這樣，設計出來的建筑才能在施工中少發(fā)生問題，確保項目的順利實施，從各方面保證建設項目的安全性，并盡可能節(jié)約成本，滿足項目的投資要求。

2.2 結構模型的設計

第一、選擇變量。在進行建筑結構設計優(yōu)化時，設計師作為工程專業(yè)人員，一定要把影響方案設計的數(shù)值作為設計變量，例如，工程項目目標控制參數(shù)與限制參數(shù)等等。如果把影響原因或改變幅度相對小的參數(shù)作為變量，那么，房屋建筑無論是在結構設計，還是計算以致編程等，難度將會大大降低。

第二、確定目標函數(shù)。就是說，在實施構造設計優(yōu)化操作中，專業(yè)設計人員要計算出能夠滿足有關預定條件的截面幾何尺寸、鋼筋的截面積和相關的失效概率函數(shù)，有效降低項目成本。

第三、確定約束條件。就房屋構造的設計優(yōu)化來說，結構的可靠度必須要保證。同時，確定實施優(yōu)化設計也要有一定的約束條件，不能隨心所欲。所謂約束條件有不少內涵，比如裂縫寬度的約束、結構強度的約束、尺寸、應力、構件單元、結構系統(tǒng)、可靠性指標以及正常應用極限狀態(tài)下的彈性、彈塑性等等。此外，還要對目標約束條件和現(xiàn)實約束條件有效進行對比和分析，以合乎相關規(guī)定要求。

2.3 選擇最優(yōu)程序進行統(tǒng)計分析

設計人員完成模擬設計工作后，再根據(jù)已知條件選取最佳計算方案，實現(xiàn)設計流程的最優(yōu)化，使其有比較齊全的用途和完善的實踐作用，完善建筑設計功效與作用。要不斷總結經(jīng)驗教訓，通過比較查找設計的薄弱環(huán)節(jié)，多層次多角度思考問題，既要注重經(jīng)濟利益、施工材料成本，也要顧全大局，提升信譽樹立形象，更要改進技術發(fā)明創(chuàng)造，提升企業(yè)發(fā)展后勁。

2.4 基礎結構設計優(yōu)化

房屋基礎結構的質量，直接關系房屋構造的整體作用與穩(wěn)定?；A結構好，整體作用一定強，穩(wěn)定性一定更牢固。因此，合理運用建筑構造設計優(yōu)化方法，對基礎構造設計至關重要。值得一提的是，要對地基地質、樁基種類、基礎構造等方面的設計實施有效控制，適時確定樁基項目方式，把握樁身長度與直徑，優(yōu)化基礎構造方案，確定科學的基礎結構、施工技術與資金投入的平衡節(jié)點。在全面落實建筑結構設計優(yōu)化的基礎上，全面提升房屋整體構造強度和結構的穩(wěn)定性。

2.5 節(jié)能結構設計優(yōu)化

節(jié)能結構設計的優(yōu)化必須以綠色建筑思維理念為前提和基礎，設計人員要正確運用結構設計方法。具體方法包括：第一，要結合項目所處的地理位置、氣候條件和所在地城市規(guī)劃的具體情況，有的放矢地選擇建筑的朝向，這么做不僅可使住戶有好的采光照射，也為室內通風營造了溫暖溫馨的良好環(huán)境，可謂是一舉多得；第二，要統(tǒng)籌兼顧，不能只顧建筑的美觀而不考慮座向風向，只要設計科學合理，則會有效降低室內熱量損耗，實現(xiàn)高效節(jié)能的最佳效果；第三，要采取優(yōu)化措施，完善房屋建筑的維護工作。對屋頂、門和窗戶等要提高設計標準。在面對陽光一側，窗面積可適當擴大，有條件的也可增加窗戶數(shù)量，這種設計方式會提升室內的采光度。在背光一側，可適當減少窗的面積或數(shù)量，避免熱量過多散失，以利節(jié)能。

3 總結

對建筑結構設計進行優(yōu)化，一方面可以增強了建筑物的安全性能、實用性能，以及滿足功能多樣化的需求，另一方面可以提升建筑物本身的美觀效果。因此設計工作者在進行建筑設計時，要對相關的優(yōu)化技術進行充分運用，挑選合適的結構設計方案，以實現(xiàn)減少工程預算的成本，提升經(jīng)濟效益。在設計時，還需要更緊密的結合直覺對優(yōu)化技術充分運用，提升建筑結構安全設計的抗震能力，以實現(xiàn)最大化的經(jīng)濟效益。