土建工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化技術(shù)研究

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0 前言

相較于傳統(tǒng)類型的房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計，應(yīng)用優(yōu)化技術(shù)能夠有效降低建筑工程項目的整體造價，從而將工程材料的性能最大化發(fā)揮出來，協(xié)調(diào)好各個環(huán)節(jié)與工程單元之間的關(guān)系，同時全面提高土建工程的安全等級。除此之外，優(yōu)化技術(shù)還有利于為工程管理決策的制定提供合理建議，從而確保“經(jīng)濟(jì)、適用、安全”目標(biāo)的順利達(dá)成。

1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計現(xiàn)狀分析

結(jié)構(gòu)優(yōu)化所指的即為，在充分滿足相關(guān)政策與法律制度的基礎(chǔ)之上，結(jié)合土建工程建筑的實際特點和具體要求，有針對性的選擇工程結(jié)構(gòu)與工程體系，搭配先進(jìn)且精確的計算機模型、校核以及應(yīng)力分析等，制定出詳細(xì)且有效的設(shè)計方案，以此來達(dá)到降低工程造價、提高工程安全等級的管理目的。

從結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的難易程度角度分析，大致可將其分為尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化、布局優(yōu)化以及類型優(yōu)化這幾個方面。在我國的土建工程領(lǐng)域中，結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的發(fā)展仍然存在著很多弊端，主要原因有如下幾個方面：首先，在我國現(xiàn)有的法律制度中，有關(guān)于土建工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求尚未明確，設(shè)計人員在具體的工作中缺少標(biāo)準(zhǔn)參考，從而影響到最終結(jié)果；其次，大多設(shè)計人員只能夠做到掌握最基本的結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與淺顯的優(yōu)化技術(shù)，實踐能力較弱；最后，在此方面缺少充足經(jīng)驗，在具體的設(shè)計實踐當(dāng)中存在著非常多的變數(shù)和約束條件，從而大大增加了目標(biāo)函數(shù)的建立難度，無法全方位的滿足土建工程項目的實際需求。

2 土建工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化方法

2.1 數(shù)學(xué)規(guī)劃法

數(shù)學(xué)規(guī)劃法所指的即為，基于結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本原理，針對土建工程結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化的一種規(guī)劃方式，同時采用優(yōu)選法等來尋找出最優(yōu)解。在通常情況下，數(shù)學(xué)規(guī)劃法比較常用于對非線性規(guī)劃問題的處理，并且隨著實踐經(jīng)驗的不斷增多，也衍生出了適用性更強的算法，不僅具有著更好的通用性，而且所參考的理論基礎(chǔ)也更為全面，通過合理化運用能夠有效提高最優(yōu)解的準(zhǔn)確性。需要注意的是，在土建工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中，針對特定結(jié)構(gòu)來展開優(yōu)化設(shè)計，仍然需要根據(jù)實際情況來展開具體分析，結(jié)合實際條件來有針對性的選擇優(yōu)化方法。

2.2 優(yōu)化準(zhǔn)則法

優(yōu)化準(zhǔn)則法所指的即為，從土建工程為實際出發(fā)點，在開展優(yōu)化設(shè)計時應(yīng)當(dāng)優(yōu)先對設(shè)計準(zhǔn)則展開研究的一種方法，具體表現(xiàn)為能量準(zhǔn)則與滿應(yīng)力準(zhǔn)則等等。優(yōu)化準(zhǔn)則法能夠運用迭代法來針對所需要的準(zhǔn)則的解來展開更準(zhǔn)確的求解，因此需要有大量的實踐經(jīng)驗來作為支撐。在設(shè)計中，應(yīng)優(yōu)先展開理論研究，以此來得到最準(zhǔn)確的判斷，確保設(shè)計結(jié)果能夠接近最優(yōu)狀態(tài)，因此可以將其解讀為是一種有效工程方法。

相較于其他方法來看，優(yōu)化準(zhǔn)則法具有著收斂快的特點，所運用到的工作原理也更加的簡單明了，因此實現(xiàn)成功率較高。其中，滿應(yīng)力準(zhǔn)則是最早出現(xiàn)的準(zhǔn)則之一，利用此種方式能夠?qū)⒐こ滩牧系膹姸葷摿ψ畲蠡陌l(fā)揮出來。除此之外，準(zhǔn)則法還能夠被應(yīng)用到對彈性穩(wěn)定、為位移以及自振頻率等問題的處理上，設(shè)計人員可根據(jù) Kuhn-Tucker條件來計算出準(zhǔn)則方程式。不得不提的是，優(yōu)化準(zhǔn)則法在應(yīng)用的過程中也存在著一些弊端，由于此種方式更加適用于已經(jīng)確定了土建結(jié)構(gòu)與幾何形式的工程設(shè)計中，因此在實踐操作中會受到諸多客觀條件的束縛，大大降低了優(yōu)化準(zhǔn)則法的作用發(fā)揮。設(shè)計人員要對實際情況和已有條件展開綜合考量，如若存在著變量關(guān)系非常負(fù)責(zé)的情況，那么應(yīng)當(dāng)慎用此種方法。

3 優(yōu)化技術(shù)在土建結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用建議

3.1 土建結(jié)構(gòu)設(shè)計與概念設(shè)計優(yōu)化

土建工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案需要有多重結(jié)構(gòu)與布局設(shè)計選擇，在實踐中，即使建筑物的結(jié)構(gòu)布局已經(jīng)確定好，所處的荷載狀況也完全一致，那么同樣也是有很多不同的分析方法可供選擇。由于在分析中所能夠運用到的材料、參數(shù)以及荷載取值等均不是一成不變的，因此在對一些細(xì)節(jié)問題進(jìn)行處理時也要做到隨機應(yīng)變，尤其是對于那些無法運用計算機軟件來解決的問題，則需要由設(shè)計人員根據(jù)實際情況來展開全方位的分析，最終給出準(zhǔn)確的判斷。

概念設(shè)計的核心之處就在于，根據(jù)房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計的規(guī)律和原則，同時按照土建工程項目的以往經(jīng)驗來展開更進(jìn)一步的研究設(shè)計，從而提供出多種不同的備選方案。

3.2 房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計與概念設(shè)計處理

對房屋結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計問題處理同樣有多種形式可供選擇，但卻具有著相同的目標(biāo)，即為無論外界有何種不良因素的影響和干擾，建筑結(jié)構(gòu)都可以達(dá)到穩(wěn)固狀態(tài)，并將損害降到最低。不難看出，有關(guān)于房屋結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的處理，需要優(yōu)先考慮到外界環(huán)境，盡可能全面的去分析可能出現(xiàn)的破壞性因素，在此基礎(chǔ)之上來制定出可行性較高的解決方案。例如，在所有不良因素中，地震是最不可控且難以預(yù)防的一項因素，地震具有著超強的破壞性，因此必須要將其設(shè)為概念設(shè)計中的一項重點課題。

在進(jìn)行房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)當(dāng)提前做好相關(guān)的準(zhǔn)備工作，以此來提高房屋建筑的抗震性能，從根本上將降低由地震對房屋結(jié)構(gòu)所帶來的損害。具體的措施如下：保證房屋建筑材料的剛度處于對稱且均勻的狀態(tài)，進(jìn)一步提高房屋結(jié)構(gòu)的抗震等級，同時采用延性設(shè)計來達(dá)到減緩的作用；其次，在房屋結(jié)構(gòu)的設(shè)計上還可以考慮實行多道防御系統(tǒng)，通過這一設(shè)置能夠幫助房屋分解并減少在地震中所受到的能量，大幅度降低建筑損害度。

3.3 保證結(jié)構(gòu)設(shè)計的實用性和藝術(shù)性

對于建筑師而言，建筑物本身就是他們最值得驕傲的藝術(shù)品，因此在進(jìn)行建筑物設(shè)計時，建筑設(shè)計師會盡可能的將自己的想法與意圖淋漓盡致的表現(xiàn)出來，以期能夠呈現(xiàn)出更具實用性和藝術(shù)性的優(yōu)秀作品。為此，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計師需要優(yōu)先考慮到建筑的安全性與實用性，在此基礎(chǔ)之上來盡可能的去改善建筑結(jié)構(gòu)的呈現(xiàn)形式，結(jié)合客觀條件來展現(xiàn)出自己的美學(xué)意圖。

在實際的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，設(shè)計師要保證平面布局的準(zhǔn)確性、對稱性以及規(guī)則性等，同時還要盡可能的減少建筑質(zhì)量與建筑剛度這兩者之間的差異性，通過此種方式來避免建筑物在使用過程中因荷載作用過大而發(fā)生扭轉(zhuǎn)情況。在結(jié)構(gòu)設(shè)計的豎向布局設(shè)計中，需要優(yōu)先考慮到房屋建筑的功能性，應(yīng)當(dāng)保證房屋建筑的豎向承重構(gòu)件處于上下貫通的狀態(tài)，同時運用轉(zhuǎn)換層來將設(shè)計難度與成本控制在合理的范圍內(nèi)。

除此之外，設(shè)計師還要考慮到豎向布局的剛度，通過漸變的方式來避免出現(xiàn)應(yīng)力集中過度的情況，以此來提高房屋建筑的抗壓能力。

[1]饒元文.結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)及其在土建工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用[J].價值工程，2015（9）.

[2]任兆斌.淺談建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化設(shè)計和現(xiàn)實意義[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2015（2）.

[3]藍(lán)籌恩.優(yōu)化技術(shù)在土建結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2015（7）.