李 方,孫春平,徐 嬌
(1.中鐵二十三局集團(tuán)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川成都610000;2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,四川成都610000)
建筑工程投資巨大,在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件下,關(guān)注投資的成本和產(chǎn)出比,是必然的需求,以最小的成本換取最大的回報(bào),實(shí)現(xiàn)投資收益的最大化,是投資方追求的主要目標(biāo)之一。控制和減少工程投資,是工程建設(shè)全過(guò)程中的重要任務(wù)。工程設(shè)計(jì)作為工程建設(shè)過(guò)程中的重要而必不可少的環(huán)節(jié),必然對(duì)工程建設(shè)的方方面面都產(chǎn)生著巨大的影響,相關(guān)的研究和實(shí)踐都證明,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于工程造價(jià)、工程質(zhì)量和工程進(jìn)度都有重要影響,統(tǒng)計(jì)資料表明,設(shè)計(jì)階段節(jié)約投資的可能性為88%,施工中節(jié)約投資的可能性為12%[5],而工程造價(jià)、質(zhì)量和進(jìn)度,直接影響到投資的成本和效益。因此好的設(shè)計(jì)是項(xiàng)目投資取得良好經(jīng)濟(jì)性的重要先決條件。
我國(guó)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策的基本方針是“安全、適用、經(jīng)濟(jì),保證質(zhì)量”[1],當(dāng)前,隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及國(guó)家綠色節(jié)能的產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策的推廣,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性得到越來(lái)越強(qiáng)烈的關(guān)注,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的精細(xì)化和設(shè)計(jì)優(yōu)化是市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件和產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策的必然要求。
結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論發(fā)展,根據(jù)優(yōu)化方法的應(yīng)用和研究,大致概括為以下四個(gè)階段[2]:
2.1.1 準(zhǔn)則法
1869年由Maxwell及1900年由Cilley等人提出同時(shí)破壞設(shè)計(jì),1904年Michen又提出最小體積桁架的設(shè)計(jì)問(wèn)題,這一階段的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法可以稱之為“準(zhǔn)則法”。由于這些準(zhǔn)則方法比較實(shí)用,得到了工程界的認(rèn)可,并且,繼1950年計(jì)算機(jī)出現(xiàn)之后,在1950年代及1960年代有了快速發(fā)展。
2.1.2 數(shù)學(xué)規(guī)劃法
由于準(zhǔn)則法理論上還有些缺陷,在某些情況下,只能得到近似最優(yōu)解。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,1940年代后期發(fā)展了“數(shù)學(xué)規(guī)劃法”。數(shù)學(xué)規(guī)劃雖然理論上比較完美,但真正要解決實(shí)際問(wèn)題尚不容易。因此,1960年代和1970年代,是準(zhǔn)則法和數(shù)學(xué)規(guī)劃法并存的階段。
2.1.3 準(zhǔn)則法與規(guī)劃法的統(tǒng)一
1960年Schmit提出把結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)規(guī)劃法和結(jié)構(gòu)分析的有限元法聯(lián)系起來(lái),理論上又邁進(jìn)了一大步;以后,人們把兩方面結(jié)合起來(lái)研究,兩種優(yōu)化方法互相滲透,并吸收對(duì)方的優(yōu)點(diǎn),形成了規(guī)劃法與準(zhǔn)則法的統(tǒng)一,從此形成了規(guī)劃法一統(tǒng)天下的局面。隨著有限元結(jié)構(gòu)分析與非線性數(shù)學(xué)規(guī)劃的結(jié)合更加密切,可以解決更多的工程技術(shù)優(yōu)化問(wèn)題,結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)從此步入了新的時(shí)代。
2.1.4 現(xiàn)階段:規(guī)劃法多種算法分支以及多學(xué)科交叉。
1980年代以來(lái),形成了序列近似概念和相應(yīng)的序列近似規(guī)劃法。同時(shí)廣泛開展了連續(xù)體結(jié)構(gòu)的形狀優(yōu)化,設(shè)計(jì)靈敏度分析、離散變量?jī)?yōu)化、多目標(biāo)優(yōu)化、模糊優(yōu)化、大系統(tǒng)的分解優(yōu)化、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的動(dòng)力優(yōu)化等新技術(shù)的研究。隨著優(yōu)化技術(shù)研究的深入,多學(xué)科開始交叉,近十多年間象人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、遺傳算法、并行計(jì)算技術(shù)等開始引入結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域。隨著商用優(yōu)化方法軟件的不斷完善,優(yōu)化技術(shù)與大型有限元分析程序的軟件集成化成為新趨勢(shì)。
結(jié)構(gòu)優(yōu)化的理論發(fā)展突飛猛進(jìn),而應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于理論進(jìn)展,特別是高層建筑、土木工程結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用還不普遍 。其主要原因如下[3]:
(1)只重視結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化,即在給定結(jié)構(gòu)的幾何形狀、拓?fù)浜筒牧系那闆r下求出滿足約束條件的最優(yōu)構(gòu)件截面,而忽視結(jié)構(gòu)整體和形狀的優(yōu)化。
(2)優(yōu)化的目標(biāo)還不能完全符合工程的需要 。由于實(shí)際結(jié)構(gòu)問(wèn)題往往十分復(fù)雜,存在設(shè)計(jì)變量多、約束條件多、受建筑功能限制較大等難點(diǎn) ,多種因素甚至不確定性因素使得目標(biāo)函數(shù)在建立后只能得到相對(duì)最優(yōu)解。而且 ,目前尚沒(méi)有實(shí)用的高層建筑優(yōu)化分析軟件 ,而應(yīng)用現(xiàn)有的各種計(jì)算機(jī)分析軟件只能采用簡(jiǎn)化條件的試算法進(jìn)行優(yōu)化,需進(jìn)行多次的反復(fù)計(jì)算才能接近優(yōu)化目標(biāo)函數(shù),因此既費(fèi)機(jī)時(shí),也不能保證設(shè)計(jì)進(jìn)度 ,實(shí)用性很差。
(3)離散變量?jī)?yōu)化問(wèn)題。建筑物尺寸以及鋼筋、型鋼規(guī)格型號(hào)等都不是連續(xù)變化的,因此,傳統(tǒng)的優(yōu)化方法,如各種梯度算法、對(duì)偶算法等解析算法均無(wú)法勝任。而且,由于問(wèn)題的規(guī)模較大,隨之帶來(lái)計(jì)算量急劇增加,費(fèi)工費(fèi)時(shí),難以進(jìn)入實(shí)用階段。
因此,現(xiàn)階段應(yīng)用理論方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)還面臨一些困難,無(wú)法普及。在無(wú)成熟的優(yōu)化分析軟件的情況下,應(yīng)用現(xiàn)有的高層建筑結(jié)構(gòu)分析軟件,采用人工分析調(diào)整構(gòu)件的截面尺寸,進(jìn)行反復(fù)運(yùn)算,也可達(dá)到優(yōu)化效果,問(wèn)題是費(fèi)工費(fèi)時(shí),難以滿足設(shè)計(jì)進(jìn)度要求,而且對(duì)設(shè)計(jì)人員的素質(zhì)要求較高,需要有較高的分析判別能力,當(dāng)結(jié)構(gòu)布置較復(fù)雜時(shí),不僅工作量大,而且有時(shí)甚至無(wú)法將優(yōu)化工作進(jìn)行下去。而采用人工方法,要實(shí)現(xiàn)真正意義上的理想狀態(tài)的優(yōu)化也因技術(shù)手段的缺陷,無(wú)法達(dá)到滿意的效果,目前還只是作為一種暫時(shí)的過(guò)渡。
由于近年來(lái)有限元研究和應(yīng)用的相對(duì)成熟,計(jì)算機(jī)硬件普及提高和軟件技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展,工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論的發(fā)展逐漸呈現(xiàn)出以下特點(diǎn):
(1)推進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論往深度和廣度方向發(fā)展,繼續(xù)解決全局最優(yōu)解問(wèn)題、拓?fù)?、布局、離散量?jī)?yōu)化、非線性規(guī)劃等在工程優(yōu)化上的技術(shù)問(wèn)題。致力于更有效、更可靠、更通用的優(yōu)化方法地研究。
(2)硬件方面,加強(qiáng)并行算法的應(yīng)用,極大提高優(yōu)化計(jì)算的計(jì)算機(jī)處理速度。軟件方面,加強(qiáng)大型商用大型軟件系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用,解決結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)方面的應(yīng)用瓶頸。
(3)將智能計(jì)算技術(shù)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論相結(jié)合,包含人工智能的應(yīng)用和專家系統(tǒng)的植入,產(chǎn)生了一個(gè)新的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)分支“結(jié)構(gòu)智能優(yōu)化設(shè)計(jì)”,具有廣闊的發(fā)展前景。
(4)結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)將進(jìn)一步在實(shí)際工程中得到應(yīng)用,通過(guò)解決實(shí)際問(wèn)題使優(yōu)化理論得到更好的驗(yàn)證和提高。
建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是指在滿足各種規(guī)范或某些特定要求的條件下,使建筑結(jié)構(gòu)的某種指標(biāo)(如重量、造價(jià)、剛度等)為最佳的方法。
用若干給定參數(shù)和一些設(shè)計(jì)變量來(lái)定義任何一個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案,設(shè)計(jì)變量隨方案的改變而變化,這些設(shè)計(jì)變量組成的“維向量”對(duì)應(yīng)多維空間里的一個(gè)點(diǎn),稱為“設(shè)計(jì)點(diǎn)”;設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定需滿足的要求或其他限制條件稱為“約束”,滿足所有約束的設(shè)計(jì)點(diǎn)稱為“可用設(shè)計(jì)”,代表所有可用設(shè)計(jì)的那些設(shè)計(jì)點(diǎn)形成維空間的一個(gè)子域,稱為“可用域”。評(píng)比方案優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)(如重量、造價(jià)等)是設(shè)計(jì)變量的函數(shù),稱為“目標(biāo)函數(shù)”。所謂結(jié)構(gòu)優(yōu)化就是用一些數(shù)學(xué)和力學(xué)的方法,在“可用域”搜索目標(biāo)函數(shù)最小(或最大)的所謂最優(yōu)點(diǎn)(得到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案)的過(guò)程。
典型的結(jié)構(gòu)優(yōu)化流程見圖1。有限元程序通過(guò)迭代逼近的方法去求解優(yōu)化問(wèn)題,首先對(duì)需要優(yōu)化的模型進(jìn)行有限元分析,然后定義設(shè)計(jì)變量、約束條件和目標(biāo)函數(shù),提交模型進(jìn)行優(yōu)化分析。如果計(jì)算收斂則可得到優(yōu)化結(jié)果,否則需要重新定義三要素中的條件再做優(yōu)化分析,直至收斂為止[4]。
圖1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化電算流程
傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法概況起來(lái)是“分析與校核”的方法,即先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷假定一個(gè)設(shè)計(jì)方案和做法,用工程力學(xué)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算,以檢驗(yàn)是否滿足規(guī)范規(guī)定的相關(guān)技術(shù)要點(diǎn)(約束),如符合要求的即為可用方案。而結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)就是在很多個(gè)、甚至無(wú)限多個(gè)可用方案中找出滿足預(yù)設(shè)目標(biāo)(目標(biāo)函數(shù))的方案,比如材料最省、造價(jià)最低、或某些指標(biāo)最優(yōu),這是一個(gè)“綜合與優(yōu)選”的過(guò)程,也就是說(shuō)“綜合與優(yōu)選”即是建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[5]。“分析與校核”法是“綜合與優(yōu)選”法的前提和基礎(chǔ),后者是前者的發(fā)展和提高。
一般工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中,大量應(yīng)用“綜合與優(yōu)選”的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),它不是嚴(yán)格意義上的結(jié)構(gòu)優(yōu)化,只是一種人工優(yōu)化方法,結(jié)果當(dāng)然也不是最理想的優(yōu)化結(jié)果,但也能基本滿足工程上的一些主要的優(yōu)化目標(biāo),是現(xiàn)階段切實(shí)可行、廣泛使用的一種優(yōu)化方法。為便于敘述,姑且稱之為“綜合優(yōu)選法”。圖2是結(jié)構(gòu)人工優(yōu)化的簡(jiǎn)要流程圖。
圖2 結(jié)構(gòu)人工優(yōu)化流程
綜上所述,優(yōu)化目標(biāo)不同,設(shè)計(jì)敏感度不同,目標(biāo)優(yōu)化精度不同,采用不同的優(yōu)化方法和技術(shù)手段也可以不同。對(duì)于調(diào)整個(gè)別關(guān)鍵構(gòu)件尺寸、截面等來(lái)滿足約束條件的優(yōu)化,需要反復(fù)迭代、試算,應(yīng)采用電算方法;而對(duì)于多數(shù)以控制結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性為優(yōu)化目標(biāo)的項(xiàng)目,要求的控制精度相對(duì)不高,大多可以采用人工方法進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)于功能相對(duì)比較簡(jiǎn)單、一般經(jīng)驗(yàn)可以控制的常規(guī)項(xiàng)目,結(jié)構(gòu)優(yōu)化也可以用人工方法。對(duì)于較為復(fù)雜的項(xiàng)目,一般應(yīng)采用人工方法與電算方法相結(jié)合進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。
正如第1節(jié)所述,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是要做到“安全、適用、經(jīng)濟(jì),保證質(zhì)量”,安全是第一位的,是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的首要目標(biāo);其次是適用,簡(jiǎn)單講就是滿足建筑實(shí)用功能和設(shè)備安裝等的要求,最后是通過(guò)提高耐久性、方便施工達(dá)到產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的過(guò)程。一般來(lái)說(shuō),目標(biāo)2和4可以通過(guò)加強(qiáng)內(nèi)部管理、提高設(shè)計(jì)者技術(shù)水平來(lái)實(shí)現(xiàn),而目標(biāo)1和3則由于設(shè)計(jì)者技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)參差不齊,設(shè)計(jì)周期普遍較短,設(shè)計(jì)單位管理不到位等因素,加之對(duì)于經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)要求較高,不容易做到最好,因此,以安全性和經(jīng)濟(jì)性作為主要目標(biāo)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化很有必要。
結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要目標(biāo)就是在保證安全的前提下,用最少的材料充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能,最好地滿足建筑功能適用性、材料耐久性、質(zhì)量?jī)?yōu)良性的要求,達(dá)到安全性與經(jīng)濟(jì)性的平衡。相關(guān)資料表明,結(jié)構(gòu)優(yōu)化是保證整個(gè)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?,F(xiàn)階段,在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)條件下,房地產(chǎn)行業(yè)蓬勃發(fā)展,針對(duì)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法大量地得到研究和應(yīng)用。
4.2.1 項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程
方案策劃階段:與建筑、設(shè)備相關(guān)專業(yè)配合,明確主要豎向構(gòu)件和水平構(gòu)件的布置,選擇合適的結(jié)構(gòu)體系和材料。
擴(kuò)初階段:明確輸入荷載、整體分析控制參數(shù),通過(guò)結(jié)構(gòu)分析、試算,確定結(jié)構(gòu)平面布置方案,結(jié)構(gòu)整體分析計(jì)算結(jié)果基本滿足規(guī)范條件。豎向構(gòu)件和水平構(gòu)件的尺寸按經(jīng)濟(jì)性要求基本調(diào)整到位。
施工圖階段:主要構(gòu)件在滿足規(guī)范要求的條件下進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì),梁、板、柱力學(xué)指標(biāo)滿足規(guī)范要求且按經(jīng)濟(jì)配筋率調(diào)整,基本構(gòu)造按照經(jīng)濟(jì)目標(biāo)進(jìn)行控制,主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)目標(biāo)在經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍內(nèi)。
4.2.2 結(jié)構(gòu)體系
基礎(chǔ):根據(jù)地質(zhì)條件和受力特征選擇合適的基礎(chǔ)形式,多方案比較、優(yōu)選。
結(jié)構(gòu)體系:按照經(jīng)驗(yàn)和力學(xué)概念初步明確結(jié)構(gòu)體系。
豎向構(gòu)件:局部構(gòu)件的布置調(diào)整,數(shù)量、位置、長(zhǎng)度、幾何形狀尺寸的優(yōu)化比選。
水平構(gòu)件:地下車庫(kù)和裙房選擇合適經(jīng)濟(jì)的的樓蓋體系,多方案比選優(yōu)化。標(biāo)準(zhǔn)層主要解決梁尺寸滿足建筑要求的前提下盡量減少、減小尺寸;樓板厚度優(yōu)化,減輕結(jié)構(gòu)自重,降低水平地震力。
結(jié)構(gòu)優(yōu)化的人工方法總體可概括為“綜合優(yōu)選法”,根據(jù)其側(cè)重點(diǎn)的不同大致又可以細(xì)分為以下幾類:
經(jīng)驗(yàn)法:對(duì)于常規(guī)的項(xiàng)目,根據(jù)成熟的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn),確定輸入力學(xué)參數(shù)和控制目標(biāo)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和做法,可以更快地得到比較理想的優(yōu)化結(jié)果。
比選法:在經(jīng)驗(yàn)法的前提下,通過(guò)個(gè)別力學(xué)變量取值調(diào)整、試算、通過(guò)多方案的比選,達(dá)到優(yōu)化結(jié)果的方法。
統(tǒng)計(jì)法:對(duì)不同約束條件下、相似的結(jié)構(gòu)體系下(或相同的約束條件、不同的結(jié)構(gòu)體系)的項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、歸納,生成目標(biāo)變量的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),作為項(xiàng)目?jī)?yōu)化數(shù)據(jù)的優(yōu)化方法,比如住宅中相似的結(jié)構(gòu)形式,在不同的層數(shù)、抗震烈度下鋼筋和混凝土用量的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)。
顯然,多數(shù)時(shí)候需要同時(shí)使用以上兩種或三種方法對(duì)同一個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行優(yōu)化。
一個(gè)好的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),不僅僅是以節(jié)省造價(jià)、實(shí)現(xiàn)所謂的“最小含鋼量”為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),要克服把經(jīng)濟(jì)性作為唯一優(yōu)化指標(biāo)的傾向,更要避免為實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性而降低結(jié)構(gòu)安全性的做法,始終把結(jié)構(gòu)安全性作為首要的目標(biāo),同時(shí)兼顧耐久性、適用性指標(biāo)的實(shí)現(xiàn),時(shí)刻不忘結(jié)構(gòu)優(yōu)化的初心和本義,才能真正做好結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。
現(xiàn)階段我國(guó)規(guī)范對(duì)于結(jié)構(gòu)優(yōu)化沒(méi)有明確的方法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),給結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論發(fā)展和實(shí)踐帶來(lái)了一定的困難和困惑。正因?yàn)槿绱?,結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論方法有待于進(jìn)一步完善和提高實(shí)用性、針對(duì)性,在應(yīng)用中提高和發(fā)展。結(jié)構(gòu)優(yōu)化的人工方法在現(xiàn)階段仍具有強(qiáng)大的生命力,在設(shè)計(jì)優(yōu)化實(shí)踐中需進(jìn)一步總結(jié)經(jīng)驗(yàn),更好地指導(dǎo)實(shí)踐;探討結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性和安全性的相關(guān)關(guān)系,做好二者的平衡是值得工程人進(jìn)一步實(shí)踐和努力研究的課題。