優(yōu)化設(shè)計(jì)方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)用

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摘要:隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提升，人們對(duì)于房屋的要求也不斷提高。起初房屋是提供人類居住活動(dòng)的空間，隨著技術(shù)的進(jìn)步，房屋不僅需要具有使用功能，更需要便于施工，具有安全、可靠、美觀、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的特點(diǎn)。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該充分考慮房屋的這些功能要求，充分利用有限的空間，提升住戶的體驗(yàn)感。文章總結(jié)多年結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，從實(shí)踐角度出發(fā)探究建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法。

關(guān)鍵詞:房屋；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；優(yōu)化方法

0前言

實(shí)用性與安全性是房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，而隨著建筑技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不僅需要考慮房屋的安全性與實(shí)用性，還需要考慮房屋的美觀性與經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)還要兼顧施工的便利性，能夠按期的保質(zhì)保量的將藍(lán)圖變成實(shí)物。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，必須對(duì)房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)以上要求。筆者結(jié)合多年的工作經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，為后續(xù)房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供借鑒。

1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法理論體現(xiàn)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化主要是考慮房屋結(jié)構(gòu)安全、實(shí)用基礎(chǔ)上使得其具有一定的美感。這種優(yōu)化方案是通過一定的數(shù)學(xué)計(jì)算，將不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比分析，選擇最優(yōu)方案作為最終的設(shè)計(jì)方案，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)[1]。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化理論角度出發(fā)，房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化可以分為分部工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及總體方案優(yōu)化兩個(gè)方面內(nèi)容?？傮w方案優(yōu)化主要是對(duì)房屋的屋蓋系統(tǒng)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)細(xì)部構(gòu)造進(jìn)行有針對(duì)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在優(yōu)化過程中要充分考慮房屋的選型、布置、受力、造價(jià)、節(jié)能等方面，還需要綜合考慮實(shí)際施工過程中施工技術(shù)是否能夠滿足該設(shè)計(jì)要求、房屋建筑是否經(jīng)濟(jì)，全方位、多角度的對(duì)房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。隨著設(shè)計(jì)理念的不斷更新、建筑技術(shù)、建筑材料的不斷更新，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化過程中也應(yīng)該不斷地進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)該時(shí)刻更新自己的知識(shí)儲(chǔ)備，緊跟時(shí)代潮流，在保證房屋安全性的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)形式的創(chuàng)新。在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該盡可能縮小剛度中心以及質(zhì)量中心的差異，所設(shè)計(jì)的房屋建筑平面盡量做到規(guī)則以及對(duì)稱[2]。同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)房屋受力的分析，保證房屋在水平荷載作用下不會(huì)由于力的作用使得房屋出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)的情況，能夠滿足用戶使用功能的情況下，盡可能使得垂直方向上受力構(gòu)件能夠上下貫通。為了能夠提高房屋的經(jīng)濟(jì)性能以及降低結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該減少轉(zhuǎn)換層的設(shè)計(jì)。垂直方向剛度方面，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化中也需要重點(diǎn)關(guān)注，在剛度上應(yīng)該形成逐漸變化而非突變的形式，突變會(huì)使突變部位應(yīng)力集中，致使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生薄弱部位。

2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的意義

房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化不僅能夠提升建筑的美觀性，充分有效地利用有限的空間，同時(shí)可以有效地控制工程造價(jià)。對(duì)建設(shè)單位來說，所需要得到的是利用較少的投入，能夠獲得最大的效益，并且房屋具有足夠的安全性、可靠性以及科學(xué)性，這也是對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的要求。根據(jù)大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)的房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相比，運(yùn)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)能夠有效地降低工程造價(jià)6%~35%[3]。通過優(yōu)化后的房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以使得每個(gè)部分相互協(xié)調(diào)，能夠有效地提高空間的利用率，同時(shí)可以根據(jù)房屋的特性選擇合理的建筑材料。在保證房屋安全系數(shù)的同時(shí)，能夠提高房屋的實(shí)用性與經(jīng)濟(jì)性。

3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用步驟

3.1建立優(yōu)化模型

對(duì)房屋整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，通常情況下采用以下三個(gè)步驟完成:1）選擇合理的設(shè)計(jì)變量。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化人員應(yīng)該重點(diǎn)選擇對(duì)房屋結(jié)構(gòu)影響較大的參數(shù)作為設(shè)計(jì)的變量。例如約束控制的參數(shù)、目標(biāo)控制的參數(shù)，具有包括結(jié)構(gòu)可靠度、工程造價(jià)、損失期望值等指標(biāo)。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，對(duì)部分變化幅度不明顯、影響程度不高的參數(shù)或者部分采用特定的參數(shù)就能滿足要求,設(shè)計(jì)人員可以事先預(yù)定參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣設(shè)計(jì)人員在計(jì)算、設(shè)計(jì)、編程的過程中可以大大的減少工作量。2）確定目標(biāo)函數(shù)。在優(yōu)化的過程中，設(shè)計(jì)人員需要設(shè)定能夠符合預(yù)定條件的鋼筋截面積、構(gòu)件幾何尺寸以及其對(duì)應(yīng)的失效概率，從而使得成本控制最優(yōu)化。3）確定約束條件。房屋結(jié)構(gòu)的安全性與可靠性是房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是優(yōu)化的前提條件。因此在函數(shù)設(shè)定的過程中,必須設(shè)定相應(yīng)的約束條件。房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的約束條件通常包含以下幾個(gè)方面內(nèi)容:尺寸約束、裂縫寬度約束、構(gòu)件單元約束、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度約束、應(yīng)力約束、可靠指標(biāo)約束、結(jié)構(gòu)體系約束、確定下條件約束、彈塑性約束、極限狀態(tài)約束等。在優(yōu)化過程中，設(shè)計(jì)人員必須將實(shí)際項(xiàng)目情況的約束條件與假定的約束條件作對(duì)比，確保所設(shè)定的約束條件能夠滿足實(shí)際工程需求。

3.2方案設(shè)定、程序設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

以可靠度為基礎(chǔ)的房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化具有非線性以及多條件、變量復(fù)雜的特點(diǎn)，在優(yōu)化結(jié)構(gòu)計(jì)算的過程中，通常情況下將具有約束性的優(yōu)化轉(zhuǎn)化成為無(wú)約束性的優(yōu)化函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。目前，我國(guó)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化中常用的計(jì)算方法有:復(fù)合形法、拉氏乘子法、Powell法等。隨著計(jì)算技術(shù)不斷應(yīng)用于設(shè)計(jì)領(lǐng)域，將基于可靠度進(jìn)行的房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案以及選用的符合工程實(shí)際情況的優(yōu)化計(jì)算方法運(yùn)用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編制相關(guān)的程序，從而提高優(yōu)化設(shè)計(jì)的運(yùn)算速度以及滿足結(jié)構(gòu)優(yōu)化的各項(xiàng)功能需求。在選定優(yōu)化計(jì)算方法、建立相應(yīng)的優(yōu)化模型與優(yōu)化程序的基礎(chǔ)上，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。設(shè)計(jì)人員通過所編制的程序?qū)Ψ桨高M(jìn)行處理后，必須對(duì)程序運(yùn)行的結(jié)果進(jìn)行比較分析,選擇最佳的優(yōu)化方案。在結(jié)果分析的過程中，結(jié)構(gòu)優(yōu)化人員必須對(duì)各個(gè)影響因素進(jìn)行整體綜合性考慮，多角度、全方位地考慮優(yōu)化方案。優(yōu)化方案結(jié)果分析對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化及其關(guān)鍵，對(duì)結(jié)果進(jìn)行有效的分析能夠從中選擇安全性、實(shí)用性、合理性以及美觀性有效協(xié)同的方案，同時(shí)，可以降低建筑施工難度，加快施工進(jìn)度，降低建設(shè)投資。在優(yōu)化過程中只考慮經(jīng)濟(jì)效益，忽略對(duì)技術(shù)方面的考慮是不正確的，在優(yōu)化的過程中應(yīng)該將兩者相互統(tǒng)一，形成有機(jī)整體進(jìn)行綜合優(yōu)化。

4結(jié)語(yǔ)

房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，由于選擇最佳的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案不僅將先進(jìn)的施工技術(shù)融入到設(shè)計(jì)之中，使得建筑更科學(xué)，同時(shí)能夠有效降低建設(shè)成本，提高房屋的經(jīng)濟(jì)性。但是，房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化是一項(xiàng)綜合且復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，需要設(shè)計(jì)人員具有較高的專業(yè)素養(yǎng)，較為豐富的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)能夠準(zhǔn)確地把握當(dāng)前的新施工技術(shù)、新型建筑材料。筆者結(jié)合多年的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)，從優(yōu)化的步驟、方法、程序設(shè)計(jì)等方面展開論述，為后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供借鑒。

參考文獻(xiàn):

[1]周宏偉.芻議房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的應(yīng)用[J].四川水泥,2014(12):283+286.

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作者:許志鵬 單位:湖北建藝風(fēng)工程設(shè)計(jì)有限公司