摘 要：建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)建筑整體結(jié)構(gòu)最優(yōu)的重要過程。在對(duì)人性化建筑以及采用概念設(shè)計(jì)方法對(duì)建筑結(jié)構(gòu)實(shí)用程度及整體效果進(jìn)行改進(jìn)的方式進(jìn)行探討的基礎(chǔ)上，提出了基于實(shí)用與效果的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的基本程序。

關(guān)鍵詞：建筑設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；實(shí)用性；整體效果

Abstract:The optimized design of the building structure is the important process of building the overall structure of the optimal. In a humane architecture and the use of conceptual design methods to improve the utility of the building structure and overall effect is explored on the basis of the basic procedures of the building structure design optimization method based on practical effect.

Keywords:architectural design；structural optimization；practicality；the overall effect

中圖分類號(hào)：TU32/399

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-0422（2012）08-0089-02

1 引言

在進(jìn)行建筑整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，為了使得建筑結(jié)構(gòu)在空間、實(shí)用性、整體效果以及造價(jià)等方面達(dá)到最優(yōu)，在完成基礎(chǔ)設(shè)計(jì)之后都需要對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。尤其是在整體結(jié)構(gòu)的造價(jià)控制方面，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化是進(jìn)行造價(jià)控制的主要途徑。傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中一般都是以建筑的造價(jià)為根本進(jìn)行控制的，而隨著人們對(duì)建筑的實(shí)用性和整體效果要求不斷增加，建筑的使用的方便性以及整體效果成為了人們關(guān)注的重點(diǎn)。而各種不同的設(shè)計(jì)方案對(duì)建筑材料的選用、建筑基礎(chǔ)類型的選擇、房屋進(jìn)深的確定、建筑的層高以及總層數(shù)的確定等都是需要優(yōu)化的問題和對(duì)象，因此在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中都應(yīng)該予以重點(diǎn)考慮。

2 人性化建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及優(yōu)化內(nèi)容

建筑的人性化是體現(xiàn)建筑實(shí)用性的一個(gè)重要方面，尤其是隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，人們對(duì)于自身居住條件提出了更高的要求。在居住環(huán)境方面，不但要求有房可居，同時(shí)還要求住得方便、住得舒適。這時(shí)，以實(shí)用性為基礎(chǔ)的“人性化”就成為了人們對(duì)建筑設(shè)計(jì)追求的一個(gè)重要概念。而在現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的過程中，現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)就需要以“人性化”這個(gè)特點(diǎn)為基礎(chǔ)，采用“以人為本”的設(shè)計(jì)理念，對(duì)建筑的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

人性化建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)具有這樣的幾個(gè)特點(diǎn)：① 合理的空間布局，通常而言在人少地多的地方選擇獨(dú)立的小高層以及別墅，而在人多地少的地區(qū)則盡量建設(shè)高層，而且在建筑整體結(jié)構(gòu)之內(nèi)具有明確的用地分工，能夠提高對(duì)土地空間的利用率；② 整體建筑結(jié)構(gòu)極具藝術(shù)效果，通常在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在充分考慮通風(fēng)以及采光等因素的基礎(chǔ)上，一般盡可能的將客廳和臥室布置在建筑整體結(jié)構(gòu)的南面，而將廚房、餐廳以及衛(wèi)生間設(shè)置在建筑的北面。陽(yáng)臺(tái)直接與陽(yáng)客廳相通，這樣就使得穿過陽(yáng)臺(tái)時(shí)不需要穿過臥室，將私人空間和公共空間相分離，有效的保證了住宅類建筑使用過程中的私密性。

而通過采用建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，不但可以實(shí)現(xiàn)建筑的上述特點(diǎn)，還可以有效的降低建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的成本。其中，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過程中，主要的優(yōu)化對(duì)象和優(yōu)化內(nèi)容包括：建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、建筑屋蓋系統(tǒng)的優(yōu)化、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以及細(xì)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等內(nèi)容。

而針對(duì)上述結(jié)構(gòu)具體方面的優(yōu)化還包括具體的選型、結(jié)構(gòu)的布置、結(jié)構(gòu)整體受力分析以及結(jié)構(gòu)造價(jià)分析等，在確保達(dá)到實(shí)用要求以及建筑標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，通過與具體的工程實(shí)際情況相結(jié)合，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

圖1-建筑外部結(jié)構(gòu)

圖2-建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局

3 概念設(shè)計(jì)方法在提高建筑結(jié)構(gòu)實(shí)用性及效果中的作用

建筑結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)一直是建筑整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一個(gè)重要方向和重要基礎(chǔ)。通過采用建筑結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)方法，可以保證建筑整體結(jié)構(gòu)能在多種意料之外的外部作用力以及外部破壞的作用之下，將建筑的受破壞程度降到最低。所以，對(duì)建筑在使用的過程中可能會(huì)遇到的各種不穩(wěn)定因素成為了建筑概念設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，同時(shí)也成為了提高建筑實(shí)用性的一種建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化有效手段。在進(jìn)行建筑可能遭受的結(jié)構(gòu)破壞分析過程中，地震是一種作用力大、難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的破壞因素。因此，在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中就應(yīng)該預(yù)先針對(duì)建筑整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從結(jié)構(gòu)構(gòu)造以及計(jì)算等多個(gè)方面對(duì)提高建筑結(jié)構(gòu)抗震能力采取多種措施，而不利于建筑抗震能力提高的設(shè)計(jì)方案則盡可能的避免。通過對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，應(yīng)該確保建筑的整體剛度盡量均勻、對(duì)稱，這是有效降低建筑整體結(jié)構(gòu)在減小建筑結(jié)構(gòu)在地震過程中出現(xiàn)破壞的一個(gè)重要手段。同時(shí)，在設(shè)計(jì)的過程中還應(yīng)該采用多種有效的設(shè)計(jì)方式來增加建筑抵抗地震的能力，諸如延性設(shè)計(jì)，它可以有效的控制建筑在地震的作用下出現(xiàn)脆性破壞的問題；多道設(shè)防的設(shè)計(jì)思路可以使得在劇烈地震的作用下，建筑的一些次要結(jié)構(gòu)先發(fā)送破壞，通過消耗一部分地震能量來減小對(duì)建筑主體結(jié)構(gòu)的破壞。這些建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法都是建筑整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中需要遵循和采用的有效原則。

4 基于實(shí)用與效果的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的應(yīng)用

4.1 提高建筑結(jié)構(gòu)空間利用率的策略

空間利用率是衡量建筑人性化指標(biāo)的一個(gè)重要指標(biāo)，下面從提高提高住宅建筑的空間利用率出發(fā)，探討提高建筑實(shí)用性的人性化建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略。

4.1.1基本思路

這里對(duì)于提高建筑結(jié)構(gòu)空間利用率的策略是利用了整體和部分的關(guān)系，

N=1+1+1+1+1……

當(dāng)N表示為整個(gè)建筑主體時(shí)，1就可以分別代表臥室、客廳、餐廳和衛(wèi)生間等；

當(dāng)N表示為120m2的建筑空間時(shí)，1則分別表示25m2的客廳、15m2的主臥室、5m2的衛(wèi)生間以及9m2的餐廳等；同樣，當(dāng)N表示為對(duì)應(yīng)臥室的大小時(shí)，1則表示臥室中的床鋪、電視柜、掛衣柜以及桌子的大??；而當(dāng)N表示為客廳時(shí)，1則表示電視的尺寸、沙發(fā)的大小、背景墻體的比例等。

4.1.2提高空間利用率的主要目的

增加對(duì)空間的利用程度，減少空間的浪費(fèi)，在保證空間使用的實(shí)用性基礎(chǔ)上增加空間利用的人性化。

4.1.3具體的實(shí)施策略

確定建筑空間的面積→確保建筑的容積效率之后確定結(jié)構(gòu)的最佳進(jìn)深→計(jì)算面寬→確定房間的具體進(jìn)深←房間家具的尺寸以及實(shí)用性

↓

目標(biāo)空間結(jié)構(gòu)←合理的交通面積

↓增加面積

房間+客廳+起居室+運(yùn)動(dòng)室……

4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的步驟

4.2.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型的建立

建筑結(jié)構(gòu)的整體優(yōu)化方法包括這樣三個(gè)基本的步驟：首先，確定設(shè)計(jì)變量。以影響建筑整體效果和實(shí)用性的相關(guān)參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量，諸如對(duì)應(yīng)的目標(biāo)控制函數(shù)(整體結(jié)構(gòu)造價(jià)C1、損失期望C2)、約束控制參數(shù)(整體建筑結(jié)構(gòu)的可靠度SP)。在進(jìn)行選取的過程中，盡量忽略那些對(duì)結(jié)構(gòu)整體效果以及實(shí)用性影響不大的相關(guān)參數(shù)，這樣可以大大減少模型的計(jì)算以及編程工作量；其次，建立目標(biāo)函數(shù)，以建筑的整體效果和實(shí)用性最佳為目標(biāo)，尋找一組既能夠滿足建筑使用功能又能夠滿足預(yù)設(shè)的結(jié)構(gòu)截面尺寸、鋼筋截面積等要素的參量，使得目標(biāo)函數(shù)值最優(yōu)；再次，定義約束條件，建筑結(jié)構(gòu)的約束條件包括建筑的可靠度、強(qiáng)度約束、應(yīng)力變形約束以及裂縫寬度約束等。設(shè)計(jì)的過程中就是要使得實(shí)際的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在和約束條件相比較之后，符合當(dāng)前的設(shè)計(jì)規(guī)范，達(dá)到最優(yōu)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

4.2.2優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的選擇

建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方案很多，一般采用基于可靠度的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。這些方案在計(jì)算的過程中需要考慮到多變量的復(fù)雜變化，同時(shí)約束條件較多，且都屬于非線性問題，在進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算的過程中一般要轉(zhuǎn)化成為無(wú)約束以及線性問題來加以求解。這個(gè)過程中，可以采用的優(yōu)化計(jì)算方法包括：拉普拉斯算子法、復(fù)合形法等。在進(jìn)行算法的選取時(shí)可以對(duì)算法的精度以及算法的計(jì)算速率予以綜合考慮，選定一個(gè)最適合的算法。

4.2.3 具體的程序設(shè)計(jì)

以上述選擇和確定的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案為基礎(chǔ)，編制一個(gè)功能齊全而運(yùn)算速度較快的綜合計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算。程序設(shè)計(jì)的內(nèi)容涉及到具體的工程指標(biāo)選取以及建筑的功能需要，且編程內(nèi)容較為繁復(fù)，這里不詳細(xì)論述。

4.2.4結(jié)果分析

在對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析的過程中，應(yīng)該從多個(gè)方面和多個(gè)角度予以考慮，諸如建筑結(jié)構(gòu)的成本、實(shí)用性和整體空間效果等。這主要是因?yàn)榻ㄖY(jié)構(gòu)屬于一項(xiàng)耗資較大的工程，涉及到的方面比較多，需要從全盤予以考慮，不能夠僅僅為了節(jié)省資金、或者是僅僅為了增加建筑的實(shí)用性來進(jìn)行優(yōu)化?？偟膩碇v就是要爭(zhēng)取的處理好技術(shù)與經(jīng)濟(jì)之間的問題，在兩者之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)來進(jìn)行優(yōu)化。

5 結(jié)語(yǔ)

建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過程，屬于綜合決策的問題。在優(yōu)化的過程中需要綜合考慮實(shí)用、安全、經(jīng)濟(jì)和整體效果等因素。本文對(duì)人性化建筑以及采用概念設(shè)計(jì)方法對(duì)建筑結(jié)構(gòu)實(shí)用程度及整體效果進(jìn)行改進(jìn)的方式進(jìn)行了探討，并針對(duì)建筑部分結(jié)構(gòu)的空間利用率的優(yōu)化部分進(jìn)行了具體分析，提供了一個(gè)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的新理念。

圖3-某大底盤高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖4-某住宅內(nèi)部空間布局

圖5-建筑結(jié)構(gòu)的有限元分析

參考文獻(xiàn)：

[1] 張炳華.土建結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，2008 :34-36.

[2] 侯貫澤，劉樹堂，簡(jiǎn)國(guó)威.工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論與方法[J].鋼結(jié)構(gòu)，2009(8)：121-125.

[3] 金俊杰，王桉華.建筑結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)探究.中國(guó)房地產(chǎn)業(yè)， 2011(8):191.

[4] 汪樹玉.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的瑰狀與進(jìn)展[J].基建優(yōu)化，2007(3)：l2-l3.