芻議結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

馬國強

【摘要】為了能在激烈的市場競爭中占有一席之地，建筑行業(yè)間逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樵诮ㄖ|(zhì)量與顧客滿意度上進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化與提升，通過提高企業(yè)施工質(zhì)量，提高房屋建筑的性能與安全性，并在建筑外觀設(shè)計上進(jìn)行更多的設(shè)計優(yōu)化，以此，來為自身企業(yè)謀求在建筑行業(yè)內(nèi)更加長遠(yuǎn)的發(fā)展。文章就結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用進(jìn)行略述。

【關(guān)鍵詞】房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計；設(shè)計優(yōu)化；應(yīng)用

房屋設(shè)計的優(yōu)化主要是針對在設(shè)計房屋的構(gòu)造時合理設(shè)計建造設(shè)計的各個因素，是房屋建筑設(shè)計中的各個因素如經(jīng)濟(jì)、實用、美觀、造價等方面得到協(xié)調(diào)。一方面，在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計時要合理考慮建筑的實用性的問題。使房屋中的各個方位的設(shè)計都能滿足人們的生活的需求，同時讓各個層面的設(shè)計都以方便于人、服務(wù)于人為目的，實現(xiàn)最大化的實用的特點。第二是在滿足人們的生活需求的同時也要把經(jīng)濟(jì)和造價的因素考慮進(jìn)去，合理進(jìn)行建筑的造價設(shè)計，實現(xiàn)低價打造高質(zhì)量建筑的要求。此外，在滿足實用性和經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上還要考慮到美觀的問題。即要有一定的觀賞性，滿足人們的心理和視覺的要求。

一、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法的概述

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法是從理論上和經(jīng)驗上對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，以建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的方法進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的分析和認(rèn)知，使建筑工程結(jié)構(gòu)得到總體的優(yōu)化，是建筑設(shè)計以及建筑工程分部得到結(jié)構(gòu)優(yōu)化和設(shè)計完善。對于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法行業(yè)應(yīng)該采取重視的態(tài)度，要控制建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點環(huán)節(jié)，例如：應(yīng)該盡量縮小質(zhì)量中心和剛度中心的差異以及建筑的平面結(jié)構(gòu)盡量對稱與規(guī)則，合格的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計必須滿足這些基本的要求，這樣的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計意圖才能夠通過優(yōu)化的評定。此外，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法要求在水平荷載作用下建筑物不會產(chǎn)生很大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。必須在滿足建筑相應(yīng)的功能條件下，在豎直方向布置盡量讓豎直方向的相應(yīng)的承重構(gòu)件上下貫通。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，為了減少結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析上的難度以及經(jīng)濟(jì)性，我們應(yīng)該盡量避免使用轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)。對豎直方向的剛度也有著相應(yīng)的要求，要求剛度的變化必須是漸變的而不是突變的，否則在剛度突變的地方會出現(xiàn)嚴(yán)重的應(yīng)力集中，這不利于建筑結(jié)構(gòu)抵抗水平方向的動力載荷作用。

二、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法的重要價值

對建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計進(jìn)行必要的優(yōu)化，在對于房屋結(jié)構(gòu)相關(guān)的設(shè)計中的應(yīng)用意義重大，不僅能夠滿足了建筑的實用與美觀，而且還可以有效地對工程造價進(jìn)行控制。對于建筑商來說，其當(dāng)然希望用最少的投資，而獲得最大的收益，然而又必須對建筑結(jié)構(gòu)的科學(xué)性、可靠性以及安全性做出保證，這必然要求對結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化和傳統(tǒng)房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行比較我們可以發(fā)現(xiàn)：運用設(shè)計優(yōu)化的技術(shù)能夠降低建筑的工程造價（6%一35%）。結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)能夠使得建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部的每個單元都得到最佳的協(xié)調(diào)，并可以對材料的性能進(jìn)行最合理的利用。這樣不僅能夠保證相關(guān)規(guī)定的安全系數(shù)，還能夠?qū)崿F(xiàn)對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性與實用性。

三、房屋設(shè)計中建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的步驟

（一）構(gòu)造結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化模型

構(gòu)建結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的模型函數(shù)可以科學(xué)地估量房屋的造價，因此確定這個優(yōu)化模型至關(guān)重要，一般是選用那些對最后的結(jié)果即整體的建筑設(shè)計影響很大的建筑設(shè)計的因素作為所建立的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化模型的自變量，選擇對建筑設(shè)計影響大的因素作為計算的自變量能夠使后續(xù)的分析的工作順利進(jìn)行。在確立了自變量之后要進(jìn)一步確定目標(biāo)函數(shù)，目標(biāo)函數(shù)一般選取的因素是最后的建筑設(shè)計的優(yōu)化的表現(xiàn)即為最終的建筑造價。此外，構(gòu)建這個函數(shù)需要滿足一定的限制的條件。在約定的條件下進(jìn)行函數(shù)的運算。

（二）選定結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方案

上文構(gòu)建的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的模型函數(shù)是一個比較復(fù)雜的函數(shù)，它具有很多的不確定因素，因此在進(jìn)行分析時也比較復(fù)雜，存在一些人工計算和分析比較困難的步驟。解決這種比較復(fù)雜的函數(shù)時可以使用計算機的方法來進(jìn)行計算和統(tǒng)計，這樣得出的數(shù)據(jù)比較科學(xué)，同時，操作也比較簡單。

（三）進(jìn)行計算機編程

雖然利用計算機來計算和分析結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的模型函數(shù)存在一定的優(yōu)勢比如簡單易行，但是利用計算機來進(jìn)行分析操作的同時要先做一個計算機的編程，建立好這個編程才能進(jìn)行運算，進(jìn)行建立計算機編程的操作也是需要一定的資費的，因此也要合理設(shè)計所建立的計算機編程，使其能夠合理計算并分析出函數(shù)模型的結(jié)果，此外，也要考慮到建立計算機的編程所需要的費用，合理運用經(jīng)費，保證操作的合理性、科學(xué)性和經(jīng)濟(jì)性。

（四）結(jié)果分析

在計算機計算出結(jié)果之后，要對其進(jìn)行分析，從而選定合理的設(shè)計方案。在實際結(jié)構(gòu)設(shè)計中，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要符合建筑的結(jié)構(gòu)規(guī)范，設(shè)計人員應(yīng)了解多方而的因素，從多個方而進(jìn)行選擇，從而更好的完善結(jié)構(gòu)設(shè)計，將建筑問題的難度降到最低，房屋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的主要目標(biāo)是降低施工企業(yè)的施工成本，并且不會影響施工的質(zhì)量。在進(jìn)行設(shè)計中，設(shè)計人員應(yīng)注意經(jīng)濟(jì)問題，然后處理好優(yōu)化技術(shù)與經(jīng)濟(jì)之間的矛盾。優(yōu)化設(shè)計中，建筑結(jié)構(gòu)的改變會影響到經(jīng)濟(jì)與技術(shù)之間的關(guān)系，所以設(shè)計人員要對這些內(nèi)容有一個明確的認(rèn)識，理解經(jīng)濟(jì)與優(yōu)化方法之間的必然性，引用優(yōu)化方法，降低施工的成本消耗。

（五）實例分析

在運用上述優(yōu)化理論對某七層現(xiàn)澆寫字樓工程設(shè)計中，將建筑工程所處地區(qū)的水文地質(zhì)、溫濕度、風(fēng)向風(fēng)速及降水量等因素進(jìn)行了全面分析，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作。包括：第一，建筑基礎(chǔ)拉梁設(shè)計優(yōu)化，針對高層較低設(shè)計較大基礎(chǔ)拉梁，保證建筑抗震結(jié)構(gòu)及拉梁正負(fù)彎矩與建筑上部混凝土框架處于一致狀態(tài)；第二，基礎(chǔ)荷載設(shè)計優(yōu)化，因該建筑層數(shù)不多，在進(jìn)行優(yōu)化時，只需考慮到風(fēng)荷載問題；第三，框架結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，應(yīng)用準(zhǔn)則法，通過遞推公式，最終獲得優(yōu)化結(jié)構(gòu)；第四，計算周期設(shè)計優(yōu)化，對建筑結(jié)構(gòu)計算周期進(jìn)行一定的折減.如填充墻砌體屬于輕質(zhì)型，則折減系數(shù)控制在 0.7～0.8 范圍內(nèi)；如填充墻砌體為重質(zhì)型，則其折減系數(shù)控制在0.6～0.7 范圍內(nèi)。

四、結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)的實踐應(yīng)用中要注意的問題

建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化能夠帶來較人的經(jīng)濟(jì)效益，所以設(shè)計人員要在設(shè)計，了解容易被忽視的問題，然后投入更多的關(guān)注。

（一）初期參與階段

房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計在優(yōu)化的初期階段，其設(shè)計方案的內(nèi)容，會影響到建筑的總投資情況，所以在進(jìn)行方案設(shè)計中，要重點關(guān)注這些實用性問題和經(jīng)濟(jì)性問題，并在實踐中，分析結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法能否真正發(fā)揮作用，起到節(jié)約建造成本的目的。這個階段容易出現(xiàn)建造成本浪費的現(xiàn)象，設(shè)計方案得不到良好的實施，所以設(shè)計人員要重視初期方案的實施情況。

（二）概念設(shè)計和細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化階段

在進(jìn)行房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，設(shè)計人員應(yīng)明確概念設(shè)計與實際情況之間的差別。一般情況下，概念設(shè)計都與實際想脫離，準(zhǔn)確性較差。所以在進(jìn)行概念設(shè)計中，要將數(shù)值應(yīng)用到整體設(shè)計中，作為輔助依據(jù)。設(shè)計人員應(yīng)把握整體的設(shè)計理念，然后確保細(xì)部工作設(shè)計無失誤，最后實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計的效果。

結(jié)束語：

總之，房屋的建筑優(yōu)化設(shè)計是一項復(fù)雜的設(shè)計工程，在進(jìn)行設(shè)計的時候要綜合考慮諸多因素，建筑的方法、技術(shù)以及使用的方案都決定了最后的優(yōu)化的程度，合理進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使建筑的房屋符合經(jīng)濟(jì)、實用、美觀等特點。綜合考慮各個因素，設(shè)計出函數(shù)模型，通過計算機的編程設(shè)計計算并選擇出最佳的方案。

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