【摘 要】對建筑結構的優(yōu)化設計進行了科學的定義，分析了影響結構優(yōu)化設計發(fā)展的因素，詳細論述了結構優(yōu)化設計的數學模型的建立和優(yōu)化方法的選擇。對優(yōu)化設計綜合評價指標體系的建立和使用方法進行了研究，并對結構優(yōu)化設計的發(fā)展進行了展望。

【關鍵詞】建筑結構；優(yōu)化設計

說到優(yōu)化建筑結構設計，可能有人以為優(yōu)化結構設計嘛，只要通過受力計算，準確地計算出所需的鋼筋用量和布置方式，使結構構件受力最佳、鋼筋用量最省、功能最齊全，其實這是不對的，至少是不全面的。因為任何一幢建筑的結構設計方案提出之后，從結構選型和構件布置開始就已經存在是否優(yōu)化的問題，再加上隨后的每一個設計程序也都需要結構工程師去進行精心思考、準確計算和合理選用建筑材料等全過程的優(yōu)化設計，才能最終產生優(yōu)化的結構結構優(yōu)化設計不應僅僅在結構本身，而是應包括建筑的各方面，比如，提高建筑空間利用率、增加建筑投入使用后的舒適度和提高建筑的經濟效益（性價比）等。為此，科學地確定建筑結構優(yōu)化設計幾項基本原則并有效地按照這些基本原則去進行建筑結構設計，是非常重要的。

一、建筑結構優(yōu)化設計的基本概念

根據優(yōu)化設計理論原理，可將建筑結構優(yōu)化設計定義為：對于已知的給定參數，通過相關理論、方法，找到這樣一個設計變量，使其既能滿足所有約束條件，又能使目標函數取得最小值。這里所謂的設計變量，指的是在設計過程中所選的描述結構特性的量，它們的量值可根據設計方案的不同取不同的值。這些設計變量所組成的維向量可用維空間的一個點來表示，稱為“設計點”。在建筑結構優(yōu)化設計中指的主要是：

1）設計截面的幾何參數，如各個構件的截面尺寸、面積和慣性矩等。

2）結構總體的幾何參數，如柱的高度、梁的間距、拱的矢高和節(jié)點坐標等。雖然設計變量所涉及的內容可能有很多，但總體可分為連續(xù)型和離散型2種類型。前者在優(yōu)化過程中的變化是連續(xù)的，如拱的矢高和節(jié)點坐標等；而后者的變化則是跳躍性的，如備選的型鋼截面面積或鋼筋直徑等。

結構優(yōu)化設計的目標函數是指用來衡量一個設計的好壞，從而在不同設計方案之間進行比較的指標，它是設計變量的函數。目標函數的選取建立在結構本身的技術經濟特性基礎之上，目前應用較多的目標函數主要是結構造價、結構重量和結構體積3種。

約束條件則指的是在優(yōu)化過程中需要滿足的硬性規(guī)定，即無論采用何種設計方案都需滿足的一些要求，離開了這些條件，優(yōu)化設計也就無從談起。建筑結構優(yōu)化設計中采用的約束條件主要是幾何約束條件和性態(tài)約束條件。前者從幾何尺寸方面來限制設計變量，如要求工字型截面的翼緣和腹板的最小厚度；后者則限制結構的工作性態(tài)，如構件的強度和剛度、結構的整體穩(wěn)定性等。滿足所有“約束”的設計點稱為“可用設計”，代表所有可用設計的那些設計點形成維空間的一個子域，稱為“可用域”（又稱為可行域）。所謂結構優(yōu)化設計就是用一些力學和數學的方法，在可用域搜索目標函數最?。ɑ蜃畲螅┑乃^最優(yōu)點，也就是最優(yōu)設計方案。從理論上講，根據結構設計變量的層次的不同，可將建筑結構優(yōu)化設計分為截面尺寸的優(yōu)化設計，結構幾何形狀的優(yōu)化設計，結構的拓撲優(yōu)化設計（如給定一個桿系結構的節(jié)點布置，要求確定哪些節(jié)點之間應有桿件連接），結構類型優(yōu)化設計（如將一組荷載傳遞到支座，可以由梁、桁架和拱等不同類型結構進行優(yōu)選）等幾種。這幾種優(yōu)化設計的設計變量層次是逐漸提高的，所得到的結構的優(yōu)化效果也逐級增強，但與之相應的優(yōu)化設計的難度和工作量大小也逐級增大。因此，應根據優(yōu)化的目標不同，在優(yōu)化變量和優(yōu)化代價中尋求一個合適的平衡點。

二、建筑結構優(yōu)化設計的內容

通常情況下，建筑結構設計的主要工作是根據建筑設計的要求，采用合理的設計理念和方法，來確定適當的結構形式、布置以及具體的構件設計尺寸。對常見的鋼筋混凝土住宅結構體系進行優(yōu)化時，可以從結構整體布局以及具體構件兩個方面加以考慮。影響結構整體布局的因素包括了建筑物的體型特征、柱網尺寸、層高以及抗側力構件的位置等；具體構件因素主要包括結構的布置、構件的截面、混凝土和鋼筋強度等級及配筋構造等。綜合考慮兩方面的因素影響是必須的，為了實現這一目標，對工程師提出了更高的要求：需要結構工程師對結構和構件受力特征有充分的把握，能根據構件設計的合理經驗和對規(guī)范的深刻理解，采用合理優(yōu)化方法進行有效設計。

1、建筑結構抗震設計的優(yōu)化

1）盡可能設置多道抗震防線。1個抗震結構體系應由若干個延性較好的分體系組成，并由延性較好的結構構件連接協(xié)同工作。由于強烈地震之后往往伴隨著多次余震，抗震結構體系應由最大可能數量的內部、外部冗余度，有意識地建立一系列分布的屈服區(qū)，主要耗能構件應有較高的延性和適當的剛度，以使結構能吸收和耗散大量的地震能量，提高結構的抗震性能，避免大震時倒塌。適當處理結構構件的強弱關系，同一樓層內宜使主要耗能構件屈服后，其他抗側力構件仍處于彈性階段，使“有效屈服”保持較長時間，保證結構的延性和抗倒塌能力。在抗震設計中某一部分結構設計超強，可能造成結構的其他部位相對薄弱，因此在設計中不合理的加強一部分以及在施工中以大代小改變抗側力構件配筋的做法都需要慎重考慮。

2）建筑性能化設計。應根據實際需要和可能，有針對性地選擇整個結構、結構的局部部位或關鍵部位、重要構件、次要構件以及建筑構件和機電設備支座作為性能優(yōu)化設計目標進行性能化設計的優(yōu)化。

2、建筑結構平面的優(yōu)化

建筑結構平面的不規(guī)則會導致結構的扭轉問題，即結構設計過程中未能做到質心、剛心和重心三心合一，在水平地震荷載的作用下結構發(fā)生扭轉振動效應。為盡量使作用在樓層上的水平荷載均勻分布，減輕結構的扭轉振動效應，建筑平面應盡可能采用簡單的平面形式，如方形、矩形、圓形或正多邊形等。當由于某些原因無法保證全部采用簡單的平面形式時，應使建筑平面的不規(guī)則程度控制在規(guī)范允許的范圍內。

3、建筑結構靜力分析方法的優(yōu)化

建筑結構的分析方法有很多種，包括彈性靜力法、動力彈性分析法、靜力彈塑性分析法、動力彈塑性分析法等。一般來說，建筑結構的變形和內力可按彈性方法計算，框架梁及連梁等構件可考慮塑性變形引起的內力重分布。建筑結構的計算模型應根據結構實際情況確定，所選取的分析模型應能較準確地反映結構中各構件的實際受力狀況。建筑結構分析，一般情況下選用的是平面結構空間協(xié)同、空間桿系、空間桿一薄壁桿系、空間桿一墻板元等計算模型進行整體計算。然而，設計中經常將跨高比很小的轉換梁、墻體連梁等構件模擬成了空間桿模型，這樣會導致計算結果的不合理，因此，對于一些不符合桿系特征的構件在設計中采用有限元法來進行輔助分析。同時，由于計算模型無法對一些復雜構件的節(jié)點進行真實的模擬，也可采用有限元法來進行節(jié)點的分析。

三、結語

目前，在建筑結構優(yōu)化設計實際操作中，更多的是采用“分析與校核”基礎上的“綜合與優(yōu)選”方法，但真正的建筑結構優(yōu)化設計軟件還不完善。今后急需大力開展結構優(yōu)化設計的應用研究，如開展有關設計思想及優(yōu)化技術的普及工作，編制符合設計實際需要的優(yōu)化電算程序等；另一方面需要繼續(xù)深入進行結構優(yōu)化設計的理論工作，如對多目標優(yōu)化、結構動力設計優(yōu)化、離散值設計變量優(yōu)化、隨機規(guī)劃和模糊規(guī)劃等課題以及模型化處理工作等。

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