探析建筑結(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

1、<p>　　探析建筑結(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</p><p>　　摘要：建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是經(jīng)驗(yàn)性很強(qiáng)的工作，希望通過大家不斷的總結(jié)和探討，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性、經(jīng)濟(jì)性。本文對(duì)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法及在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；建筑結(jié)構(gòu)；優(yōu)化技術(shù)；應(yīng)用 </p><p>　　中圖分類號(hào)：S611 文獻(xiàn)

2、標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： </p><p>　　1.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法 </p><p>　　完美的建筑是在滿足人們使用功能及視覺感受的前提下，充分滿足使用者和社會(huì)所期望的各種要求。依據(jù)設(shè)計(jì)的要求，把力學(xué)概念與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，讓參與計(jì)算的量部分可以以變量部分出現(xiàn)，進(jìn)而形成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案域，運(yùn)用數(shù)學(xué)手段，在域中找到可以滿足要求的結(jié)構(gòu)優(yōu)化最佳設(shè)計(jì)方案。由此可見，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅可以提高

3、整體設(shè)計(jì)水量及設(shè)計(jì)質(zhì)量，還可縮短設(shè)計(jì)周期，從而降低整體工程造價(jià)，提高經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。房屋工程分部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)包括：基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)、屋蓋系統(tǒng)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)細(xì)部設(shè)計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)以上幾個(gè)方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)還包括選型、布置、受力分析、造價(jià)分析等內(nèi)容，在實(shí)施過程中，不僅要按照一切從實(shí)際出發(fā)的原則，更應(yīng)該結(jié)合具體工程的實(shí)際情況，圍繞房屋建筑的綜合經(jīng)濟(jì)效益的目標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在滿足設(shè)計(jì)要求后，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)

4、該盡量縮小剛度、質(zhì)量中心的差異使平面布置規(guī)則，水平荷載就不會(huì)使建筑物有太大的扭轉(zhuǎn)作用。為降低應(yīng)力集中，豎直方向上應(yīng)避開使用轉(zhuǎn)換層。 </p><p>　　結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的本質(zhì)以力學(xué)理論和數(shù)學(xué)規(guī)劃理論為理論基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為工具，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)涉及到的各個(gè)變量進(jìn)行尋找優(yōu)化決策的先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，其本質(zhì)就是求極值問題。（1）優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。建立正確合理的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟，基于正確的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型是得到正確優(yōu)

5、化結(jié)果的基礎(chǔ)。例如，在優(yōu)化模型中，數(shù)學(xué)模型中的等式約束個(gè)數(shù)應(yīng)當(dāng)小于設(shè)計(jì)變量的個(gè)數(shù)，這樣才能求得最優(yōu)解。（2）優(yōu)化數(shù)學(xué)算法和優(yōu)化迭代控制。對(duì)于建立的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，雖然可用的優(yōu)化算法有多種，但是采用不同的優(yōu)化算法所得到的優(yōu)化效果和所花費(fèi)的求解時(shí)間會(huì)有差別。所以，快速、有效的數(shù)學(xué)優(yōu)化算法也是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。（3）結(jié)構(gòu)分析方法。絕大多數(shù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題難以采用解析法求解，而是采用數(shù)值法的方法。數(shù)值解的尋優(yōu)實(shí)際上是一個(gè)優(yōu)化迭代過程，

6、而每次優(yōu)化迭代都需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。實(shí)現(xiàn)以上提到的關(guān)鍵技術(shù)需要經(jīng)過建立可靠的優(yōu)化模型，然后采用適當(dāng)?shù)膬?yōu)化算法進(jìn)行求解。這其中選擇計(jì)算簡(jiǎn)便且正確率高的優(yōu)化算法顯得尤為重要。 </p><p>　　2民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)性的關(guān)系 </p><p>　　第一點(diǎn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和用地之間的關(guān)系。在多層或者高層的民用建筑中，我們常說的總建筑的面積具體講是每層的建筑面積之和，如果層數(shù)越多，那么單位建筑的面積

7、分?jǐn)偟恼嫉孛娣e相應(yīng)的就會(huì)越小。然而隨著層數(shù)日益變多，總體住宅高度也會(huì)不斷上升，隨之屋子間的距離也相應(yīng)的變大。通過這一闡述我們了解到，用地節(jié)約的多少并不會(huì)根據(jù)建筑樓層增加而按一定的約數(shù)變高。 </p><p>　　第二點(diǎn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和造價(jià)之間的關(guān)系。一般建筑的樓層會(huì)在一定程度上影響到單位建筑的面積，但對(duì)每部分的結(jié)構(gòu)來講，具體的影響程度是不一樣的。在屋蓋的區(qū)域，無論有多少層，都統(tǒng)一使用統(tǒng)一相同的房屋蓋。它跟層數(shù)增加無關(guān)

8、，所以對(duì)屋蓋的資金投入也不會(huì)加大。因此，屋蓋處的單位面積資金投入會(huì)根據(jù)層數(shù)的不斷上升而表現(xiàn)出很明顯的降低。在建筑的基礎(chǔ)處，每層都共同使用一個(gè)基礎(chǔ)，因此隨著層數(shù)不斷增加，相應(yīng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)承受的荷重就會(huì)增加，因此我們必須要增加基本的荷載力。基礎(chǔ)地區(qū)的單位開銷雖然會(huì)根據(jù)層數(shù)的增加而呈現(xiàn)出降低的意思，但是這種意思并不像屋蓋那樣如此明顯。一些承重體，比如墻、梁或者柱等，會(huì)隨著層數(shù)的不斷增加而不斷地增加荷載能力以及抗震能力等，相應(yīng)的這些分部的單位房屋

9、造價(jià)會(huì)有一定的提升。 </p><p>　　第三點(diǎn)，高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與經(jīng)濟(jì)性的關(guān)系。一般而言，住宅層數(shù)高矮將本質(zhì)的影響住宅開銷，其根本原因乃是伴隨層高不斷上升，墻體面積和柱體積也會(huì)慢慢上升，而且會(huì)加大結(jié)構(gòu)自重，進(jìn)而還會(huì)增加柱以及基礎(chǔ)承受荷載力，于是讓電氣以及水衛(wèi)的管線同比例變長(zhǎng)。如果將層高降低，那么可以有效地節(jié)省材料物資，而且還可以節(jié)約能源等，對(duì)于抗震非常有利，能最大程度的節(jié)約金錢輸出。另一方面，減少層高不但可以

10、降低房屋的高矮，有效地縮小建筑和建筑間日照的距離，所以降低層高也在一定程度上對(duì)于節(jié)約土地資源有很大的作用。 </p><p>　　3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐 </p><p>　　結(jié)構(gòu)方案的建立過程即工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。伴隨急速更新發(fā)展的計(jì)算機(jī)硬、軟件產(chǎn)業(yè)，憑借計(jì)算機(jī)、力學(xué)、數(shù)學(xué)一系列方法，將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做到最優(yōu)化技術(shù)推廣。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)其設(shè)計(jì)原則和過程是相同的，不同之處在于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)缺少

11、安全、經(jīng)濟(jì)性作為衡量準(zhǔn)則。最優(yōu)設(shè)計(jì)則是在安全、經(jīng)濟(jì)準(zhǔn)則基礎(chǔ)之上，利用計(jì)算機(jī)作為輔助技術(shù)，非常便利地實(shí)現(xiàn)了分析計(jì)算、設(shè)計(jì)、出效果圖等整套程序的自動(dòng)化，大大提升了設(shè)計(jì)整體效果及質(zhì)量。為了達(dá)到降低工程造價(jià)之目地，在不更改使用性能的基礎(chǔ)之上，就要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)。由此可見結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)是較為寬廣的課題之一。它不僅應(yīng)用于項(xiàng)目的前期、整體、抗震設(shè)計(jì)，在舊房改造期間的各個(gè)環(huán)境均有廣泛應(yīng)用。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)在應(yīng)用實(shí)踐中應(yīng)注意的問題如下：

12、 </p><p>　　3.1前期方案設(shè)計(jì)期間將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化參與其中 </p><p>　　建筑方案設(shè)計(jì)前期如有一個(gè)優(yōu)秀的、合理的設(shè)計(jì)方案，并參與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，就會(huì)爭(zhēng)取到非常優(yōu)秀的開端。但目前在前期設(shè)計(jì)方案中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化參與其中的并不多，如果能對(duì)建筑類別有所針對(duì)，并進(jìn)行合理選擇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，將降低建筑的總投資成本，因此在建筑方案設(shè)計(jì)初期應(yīng)注意建筑方案的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，考慮結(jié)構(gòu)的合理及可行

13、性。 </p><p>　　3.2概念設(shè)計(jì)結(jié)合細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化 </p><p>　　概念設(shè)計(jì)主要作用于無具體數(shù)值量化現(xiàn)象，比如無確定性的地震設(shè)防烈度，現(xiàn)實(shí)難免與計(jì)算式存在區(qū)別，那么設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取概念設(shè)計(jì)方法，使數(shù)值成為輔助及參考根據(jù)。為達(dá)到最佳優(yōu)化設(shè)計(jì)效果，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該靈活運(yùn)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案。與宏觀把握相對(duì)應(yīng)的，設(shè)計(jì)的過程同時(shí)要注意對(duì)于細(xì)部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，比如現(xiàn)澆板中的異形板拐角方向容易

14、出現(xiàn)的裂縫，可歸結(jié)為矩形板。鋼筋選擇時(shí)應(yīng)注意：I級(jí)鋼和冷軋帶肋鋼市場(chǎng)價(jià)格差不多，但是他們的極限抗拉力相差卻相當(dāng)大，所以在塑性滿足要求的情況下，現(xiàn)澆板的受力鋼筋就可選擇冷軋帶肋鋼筋。在做里面設(shè)計(jì)的時(shí)候，外立面上的懸挑板及配筋，應(yīng)在滿足基本規(guī)范要求之上，以達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)之目的。 </p><p>　　3.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化———下部地基基礎(chǔ) </p><p>　　樁基礎(chǔ)類型的選擇，要依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條

15、選擇最為合適的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，以降低工程總造價(jià)為目的。例如對(duì)灌注樁樁長(zhǎng)的選擇影響較大的樁端持力層的選擇，要多進(jìn)行比較，最終確定最為合適的方案。 </p><p><b>　　4結(jié)束語 </b></p><p>　　我們常說，建筑是凝固的藝術(shù)，好的建筑師總希望可以通過建筑來合理的表達(dá)本身設(shè)計(jì)意圖，希望擁有藝術(shù)性以及實(shí)用性能的美妙融合。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師們應(yīng)嚴(yán)格遵“安全、經(jīng)

16、濟(jì)、合理”的設(shè)計(jì)理念，努力探索更合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，保證建筑工程取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和質(zhì)量效益。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p><p>　　[1]張炳華.土建結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,2008. </p><p>　　[2]汪樹玉.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].基建優(yōu)化,2007. </p&g