優(yōu)化技術(shù)在土建結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析

徐力

摘要：近年來，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，建筑行業(yè)也得到了快速發(fā)展，其地位也越來越重要，這就使得對(duì)土建結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)進(jìn)行研究有了意義。文章依此對(duì)優(yōu)化技術(shù)在土建結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，首先說明了優(yōu)化技術(shù)的現(xiàn)實(shí)意義，然后闡述了其應(yīng)注意的問題，最后對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：優(yōu)化技術(shù)；土建結(jié)構(gòu)；工程設(shè)計(jì)；建筑行業(yè)；建筑設(shè)計(jì) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TU318 文章編號(hào)：1009-2374（2016）30-0119-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.30.058

1 土建結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)的現(xiàn)實(shí)意義

每一個(gè)建筑企業(yè)都希望可以在滿足土建結(jié)構(gòu)長(zhǎng)遠(yuǎn)利益的前提下付出最低的成本，最大程度地減少土建結(jié)構(gòu)的近期投資。土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)可以在保證建筑物結(jié)構(gòu)科學(xué)合理性的前提下達(dá)到降低經(jīng)濟(jì)付出的效果。土建結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)有利于促進(jìn)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，可以用同樣的資金獲取更大的市場(chǎng)收益。現(xiàn)代的土建結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)相比有很大的優(yōu)越性，選擇設(shè)計(jì)優(yōu)化方法可以很好地降低工程成本。實(shí)現(xiàn)土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)有利于合理性能材料的選擇，可以最大程度上協(xié)調(diào)土建結(jié)構(gòu)內(nèi)部各個(gè)單元之間的關(guān)系，從而提高土建工程的建設(shè)效率和安全性。除此之外，優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)也能夠?yàn)橥两ǖ恼w設(shè)計(jì)方案做出科學(xué)合理的決策，所以優(yōu)化技術(shù)是有效實(shí)現(xiàn)土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法。

隨著建筑層數(shù)的增加，墻體面積和柱體積也會(huì)增加，這樣一來土建結(jié)構(gòu)的自重就會(huì)隨之增加，基礎(chǔ)和柱的承載力也因此而增加，這樣土建內(nèi)部裝修等都要考慮這一問題。與此相反，如果層數(shù)減少就可以很好地節(jié)約建筑材料和建筑造價(jià)，也可以達(dá)到抗震效果。從日照等因素來看降低層高可以減少建筑間的日照距離，可以有效地節(jié)約建筑用地。在建筑面積一定的情況下，土建使用不同的形狀可以改變外墻周長(zhǎng)系數(shù)，也可以改變內(nèi)外表面裝修等，所以在土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，利用優(yōu)化技術(shù)來提高建筑的經(jīng)濟(jì)性能。

2 建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)應(yīng)該注意的主要問題

2.1 設(shè)計(jì)人員要注重細(xì)部?jī)?yōu)化

建筑設(shè)計(jì)人員必須注重整體設(shè)計(jì)，在整體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上還要充分考慮細(xì)部設(shè)計(jì)，要加強(qiáng)對(duì)土建結(jié)構(gòu)的精細(xì)設(shè)計(jì)。例如增加現(xiàn)澆板的受力程度避免拐角裂縫的出現(xiàn)、盡量劃分矩形板塊的現(xiàn)澆板設(shè)計(jì)，一般要保證建筑的穩(wěn)定性，多采用按單筋矩形截面設(shè)計(jì)。

在計(jì)算機(jī)技術(shù)和優(yōu)化設(shè)計(jì)理論相互結(jié)合的時(shí)代，優(yōu)化技術(shù)已經(jīng)從工程實(shí)踐問題逐漸向數(shù)學(xué)問題過渡，所以土建工程設(shè)計(jì)人員必須加強(qiáng)自身基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析能力，從而提升自身設(shè)計(jì)的科學(xué)性。

2.2 建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用要注意到前期的參與

土建工程建設(shè)前期的設(shè)計(jì)方案將對(duì)建筑項(xiàng)目的造價(jià)產(chǎn)生直接的影響，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化是節(jié)約成本很好的做法，但是大多數(shù)前期方案的確定中多不包括結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，這樣就會(huì)導(dǎo)致相關(guān)的設(shè)計(jì)工作人員在進(jìn)行土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)無法很好地考慮土建結(jié)構(gòu)的可行性和合理性，這樣只會(huì)增加土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度，會(huì)致使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作成本不斷增加，所以土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員在前期設(shè)計(jì)時(shí)必須充分融合優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，從而有效地節(jié)約土建成本。

3 土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法

3.1 數(shù)學(xué)規(guī)劃法

數(shù)學(xué)規(guī)劃法是從結(jié)構(gòu)的力學(xué)基本原理出發(fā)來對(duì)土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行規(guī)劃的一種方法。運(yùn)用優(yōu)選法和數(shù)學(xué)規(guī)劃法等方法對(duì)設(shè)計(jì)變量尋找最優(yōu)的解。一般情況下，數(shù)學(xué)規(guī)劃法比較適用于處理非線性的規(guī)劃問題，在其長(zhǎng)期的應(yīng)用發(fā)展中也形成了適用于多種情況的不同算法，有一定的通用性，也有非常嚴(yán)格的理論基礎(chǔ)，合理運(yùn)用可以找到局部的最優(yōu)解。當(dāng)然，對(duì)一種特定的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，還是要具體問題具體分析，依據(jù)實(shí)際情況來選取優(yōu)化方法。

3.2 優(yōu)化準(zhǔn)則法

優(yōu)化準(zhǔn)則法是以工程本身為出發(fā)點(diǎn)在結(jié)構(gòu)達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)要滿足那些準(zhǔn)則進(jìn)行研究的一種方法，例如能量的準(zhǔn)則和滿應(yīng)力的準(zhǔn)則等。這種方法可以用迭代法來對(duì)這些準(zhǔn)則的解進(jìn)行準(zhǔn)確的求解，所以這些優(yōu)化的準(zhǔn)則大部分都要依據(jù)現(xiàn)有的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通過一定的理論研究來分析并判斷所得到的，其設(shè)計(jì)可以接近最優(yōu)，所以說是一種工程方法。

優(yōu)化準(zhǔn)則法有收斂較快的特點(diǎn)，其工作原理也比較簡(jiǎn)單、直觀，一般是比較容易實(shí)現(xiàn)的。滿應(yīng)力設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是最早提出的準(zhǔn)則，這個(gè)方法可以最大程度地發(fā)揮材料強(qiáng)度的潛力。另外，準(zhǔn)則法也可以處理彈性穩(wěn)定、位移、自振頻率等方面的問題，一般是從Kuhn-Tucker條件出發(fā)來設(shè)計(jì)準(zhǔn)則方程。但是準(zhǔn)則法也有其缺陷，其主要適于土建結(jié)構(gòu)布局和幾何形式已確定的情況，所以其適應(yīng)范圍有一定的局限性。如果要同時(shí)考慮多種的約束，優(yōu)化準(zhǔn)則法就很難發(fā)揮其作用，在變量之間關(guān)系較為復(fù)雜的情況下就不適宜用優(yōu)化準(zhǔn)則法。

4 優(yōu)化技術(shù)在土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

4.1 常見問題的優(yōu)化措施

要實(shí)現(xiàn)土建結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)就必須在實(shí)際的工作中充分重視每一個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)用性和安全性，對(duì)于一些常見問題的優(yōu)化措施可以歸于以下六點(diǎn)：（1）設(shè)計(jì)要盡量加大抗震縫的寬度，以防止地震發(fā)生時(shí)抗震縫兩側(cè)碰撞問題的出現(xiàn)；（2）要合理地設(shè)計(jì)懸挑梁，保證其符合標(biāo)準(zhǔn)，將其設(shè)置為截面可以有效地降低懸挑梁截面的應(yīng)力，從而達(dá)到防止梁體變形的效果；（3）科學(xué)地設(shè)計(jì)連續(xù)梁，要嚴(yán)格避免其按照單梁設(shè)計(jì)，另外要合理地對(duì)連續(xù)梁支座上部的負(fù)筋配置進(jìn)行設(shè)計(jì)；（4）構(gòu)造柱的剛性一般要比承重柱差很多，而對(duì)于一部分位于承重梁下的構(gòu)造柱應(yīng)該按照承重柱的剛性標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行設(shè)計(jì)，以滿足其支撐作用；（5）筏、箱基礎(chǔ)底板挑板的陽角應(yīng)該呈斜角或直角，若地下水位較高就應(yīng)用基礎(chǔ)底板來增加建筑的抗浮性能；（6）在進(jìn)行土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要保證承重柱有充足的截面高度，要合理控制梁柱的線剛度比，從而增強(qiáng)建筑的耐久性和安全性，提高承重柱的抗震性能。

4.2 實(shí)用性與藝術(shù)性相互融合

在土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程中，將實(shí)用性和藝術(shù)性進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合可以達(dá)到土建結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的效果。在具體的實(shí)際工作中，土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員要保證建筑的安全性及經(jīng)濟(jì)性，并在此基礎(chǔ)上來實(shí)現(xiàn)土建工程的美學(xué)性，設(shè)計(jì)方案要盡量融合美學(xué)性、安全性和經(jīng)濟(jì)性。例如：土建結(jié)構(gòu)的平面布局應(yīng)具有一定的對(duì)稱性和規(guī)律性，這樣就可以有效地防止建筑物在巨大荷載作用下發(fā)生扭轉(zhuǎn)，同時(shí)也可以提高土建結(jié)構(gòu)的美觀性。

4.3 概念設(shè)計(jì)

保證土建工程在各種因素的影響下能夠保持實(shí)用性和安全性是所謂概念設(shè)計(jì)的根本目標(biāo)，要全面增強(qiáng)建筑的使用性能就必須重視概念設(shè)計(jì)，如果設(shè)計(jì)出現(xiàn)問題，就很有可能會(huì)造成嚴(yán)重的后果。例如：從地震對(duì)土建工程的影響來看，一般來說在地震發(fā)生之前我們是很難預(yù)見的，而且地震一旦發(fā)生憑借人的力量是根本無法控制的，所以在土建結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)過程中要把地震當(dāng)作重要課題來進(jìn)行研究。事后要盡量去降低地震帶來的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)損失，在土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中就要保證建筑材料的使用高性能，確保材料質(zhì)量，要避免建筑物在受到地震作用后發(fā)生脆性破壞。除此之外，土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還可以采用延性設(shè)計(jì)，在地震發(fā)生時(shí)可以有效地降低地震對(duì)建筑物所產(chǎn)生的危害，可以起一定的防御作用。

5 結(jié)語

運(yùn)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相比較可以看出，優(yōu)化技術(shù)能使土建工程造價(jià)降低約6%～34%，所以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)可以更好地實(shí)現(xiàn)土建工程的安全性，它可以使土建結(jié)構(gòu)內(nèi)部各個(gè)單元得到最好的協(xié)調(diào)，可以同時(shí)滿足土建的美觀性、經(jīng)濟(jì)性和安全性，是符合建筑行業(yè)的未來發(fā)展趨勢(shì)的，但是其應(yīng)用情況還不容樂觀，所以要對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用和研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 饒遠(yuǎn)文.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)及其在土建工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].價(jià)值工程，2010，（9）.

[2] 任招賓.淺談建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和現(xiàn)實(shí)意義

[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2012，（2）.

[3] 藍(lán)倜恩.優(yōu)化技術(shù)在土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，1981，（6）.