□王智鋒(建業(yè)住宅集團(tuán)中國有限公司)

□孫之如(河南興達(dá)工程咨詢有限公司)

一、傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與最優(yōu)化設(shè)計

（一）傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)建筑設(shè)計方案的要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員，參照類似的工程和自已的設(shè)計經(jīng)驗，按照規(guī)范，擬定結(jié)構(gòu)方案和相應(yīng)參數(shù)，用結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法，進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的計算，實際是對所選定的方案，做了安全性的校核工作，證明方案是可行的，從安全與經(jīng)濟(jì)分析，可行方案未必是最合理的設(shè)計，因為軟件是結(jié)構(gòu)計算軟件，運算速度快，可能多做了幾個可行方案進(jìn)行比較，比較是在幾個方案中進(jìn)行，而沒有預(yù)先設(shè)定目標(biāo)，與預(yù)定的目標(biāo)進(jìn)行比較。

（二）最優(yōu)化設(shè)計

最優(yōu)化設(shè)計與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，用相同的設(shè)計規(guī)范、基本理論、計算公式、設(shè)計流程：經(jīng)過設(shè)計（擬定各構(gòu)件尺寸）校核（是否滿足規(guī)范的要求）修改設(shè)計，再校核直至得到滿意的結(jié)構(gòu)方案。因此，安全度是相同的，所不同的是：傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，是在有限的幾個可行方案中，挑選認(rèn)為比較滿意的方案，優(yōu)化設(shè)計是事先要有明確的特定目標(biāo)（擬定的特定目標(biāo)反映了設(shè)計人的工程經(jīng)驗及設(shè)計水平、成本意識和甲方的產(chǎn)品定位等），如結(jié)構(gòu)的體積最小、重量最輕、造價最省為前提，通過數(shù)學(xué)運算求極值的方法，得到安全性與經(jīng)濟(jì)性都最優(yōu)的方案。

顯然，最優(yōu)化的設(shè)計事先有了相對明確的目標(biāo)，這個目標(biāo)就來自于結(jié)構(gòu)概念設(shè)計。

二、概念設(shè)計相關(guān)名詞解釋

（一）給定參數(shù)（或預(yù)定參數(shù)）

在開始設(shè)計時就給出的，用于描述結(jié)構(gòu)特性的參數(shù)，如作用在樓面的活荷載、樓面材料的彈性模量和材料的自重，只要建筑的使用功能及結(jié)構(gòu)材料定下來，可按相關(guān)規(guī)范查到，在設(shè)計過程中，其數(shù)值是不變的。

（二）設(shè)計變量

在設(shè)計過程中，其數(shù)值是可以改變的，用于描述結(jié)構(gòu)特性的那些量，如樓板的厚度、梁的斷面尺寸大小、跨度等，在工程中，起碼有兩個變量，稱為二維設(shè)計空間，當(dāng)變量個數(shù)為n（n＞2）,稱為n維設(shè)計空間，簡稱超空間。

（三）目標(biāo)函數(shù)

目標(biāo)函數(shù)是設(shè)計變量的函數(shù)，在工程中，多以結(jié)構(gòu)造價、重量或體積作為目標(biāo)函數(shù)，記作W（x）;設(shè)計工作就是要找出使目標(biāo)函數(shù)取極小值的設(shè)計方案，目標(biāo)函數(shù)是設(shè)計過程中比較和選擇各種不同方案的指標(biāo)。

（四）約束條件

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，滿足使用功能的各項要求，對結(jié)構(gòu)施加的種種限制，依對設(shè)計變量施加限制的方式，分為顯式約束和隱式約束。

顯式約束：是直接施加一個或幾個設(shè)計變量的限制，如構(gòu)件的斷面尺寸是變量，各種結(jié)構(gòu)規(guī)范的構(gòu)造措施，對構(gòu)件尺寸的限制就是，混凝土規(guī)范第10節(jié)，關(guān)于現(xiàn)澆板的最小厚度的規(guī)定，可表示為：h≥表10.1.1中的最小值。

隱式約束：間接施加于設(shè)計變量的限制，如對結(jié)構(gòu)應(yīng)力所施加的限制，以簡支梁為例，根據(jù)跨長、荷載，用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法，算出內(nèi)力（M、Q、N）,再算出梁斷面的應(yīng)力，要求：σ（梁斷面任一點的應(yīng)力）－f（所用材料的設(shè)計強(qiáng)度）≤0，這就是隱式表示，是經(jīng)過應(yīng)力計算求出來的，不是直接施加。約束條件可分為等式與不等式兩種表示式。

等式約束：σ－f＝0，表示結(jié)構(gòu)內(nèi)任一點的計算應(yīng)力都必須等于所用材料的設(shè)計強(qiáng)度，在連續(xù)結(jié)構(gòu)中，這實際上是不可能的，故在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中，等式約束很少采用。

不等式約束：σ－f≤0，表示結(jié)構(gòu)中任一點應(yīng)力不應(yīng)超過相應(yīng)材料的設(shè)計強(qiáng)度，是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的一個重要概念。

三、結(jié)構(gòu)最優(yōu)化設(shè)計的表達(dá)式

有了上面的名詞解釋及對傳統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化設(shè)計的簡單描述為基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)最優(yōu)化設(shè)計可概括為：對于已知的給定參數(shù)，求出滿足全部約束條件并使目標(biāo)函數(shù)取極小值的設(shè)計變量，用數(shù)學(xué)表示為：

極小化的目標(biāo)函數(shù)：W（x）=C,

滿足于約束條件gi（x）≤0,i=1,2,…m,X1,X2,……Xn≥0,

四、結(jié)構(gòu)概念設(shè)計優(yōu)化與工程成本控制

概念設(shè)計最主要目的是在設(shè)計方案合理的基礎(chǔ)上更加經(jīng)濟(jì)、安全可行。所以，概念設(shè)計需要正確的設(shè)計原則以解決設(shè)計當(dāng)中出現(xiàn)的問題，并更加優(yōu)化設(shè)計人員的方案。概念設(shè)計運用的好壞不僅體現(xiàn)出了設(shè)計工程師的思維活動，更顯示出了設(shè)計工程的質(zhì)量層次。

所謂成本控制，是根據(jù)一定時期預(yù)先建立的成本管理目標(biāo)，由成本控制主體在其職權(quán)范圍內(nèi)，在生產(chǎn)耗費發(fā)生以前和成本控制過程中，對各種影響成本的因素和條件采取的一系列預(yù)防和調(diào)節(jié)措施，以保證成本管理目標(biāo)實現(xiàn)的管理行為。

作為建設(shè)工程的投資方，關(guān)注工程成本控制，這是必然的，但成本控制，首先要明確目標(biāo)成本，對于工程成本，因為從購地立項開始，到建筑方案（包括平面布置、立面造型處理、室內(nèi)外裝修及材料選擇）、室外景觀設(shè)計等，結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)建筑方案的骨架，在工程成本控制的整個鏈條組成中，占據(jù)很大的分量，因此，開展結(jié)構(gòu)概念設(shè)計，確定結(jié)構(gòu)目標(biāo)成本，就是一個很好、很重要的方法。

五、結(jié)語

概念設(shè)計是從設(shè)計的基本原理，工程的客觀規(guī)律和方法等出發(fā)進(jìn)行綜合考慮，來最終確定建筑結(jié)構(gòu)的總體布置，和進(jìn)行宏觀上的調(diào)控。所以，對于專業(yè)人員來說，重視開展結(jié)構(gòu)概念設(shè)計，才能讓結(jié)構(gòu)設(shè)計更加安全，經(jīng)濟(jì)。