孫 志 勇

(山西省人防建筑設(shè)計研究院，山西 太原 030013)

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建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計階段優(yōu)化方法分析

孫 志 勇

(山西省人防建筑設(shè)計研究院，山西 太原 030013)

介紹了概念設(shè)計的主要內(nèi)容，從結(jié)構(gòu)布置、構(gòu)件截面、地基基礎(chǔ)、構(gòu)造措施等方面，闡述了建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的優(yōu)化方案，旨在充分發(fā)揮各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的功能，使建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計符合相關(guān)規(guī)范要求。

建筑結(jié)構(gòu)，概念設(shè)計，地基基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)布置

0 引言

建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法以及原理有兩類：一類是數(shù)學(xué)規(guī)劃法，借助于極值原理的概念，將相應(yīng)的參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，找出最優(yōu)參數(shù)；另一類是準(zhǔn)則法，從結(jié)構(gòu)力學(xué)的角度進行優(yōu)化。兩種方法各有優(yōu)缺點，其中數(shù)學(xué)規(guī)劃法有嚴(yán)格的理論依據(jù)作為設(shè)計的支撐，適應(yīng)性比較好；缺點是求解速度比較慢，而且由于嚴(yán)格理論的存在求解會受到一部分限制[1]。而準(zhǔn)則法的優(yōu)點是優(yōu)化時間相對較短，不影響重新分析的次數(shù)以及不涉及變量參數(shù)數(shù)量的變化，優(yōu)化次數(shù)為10次左右就可以滿足結(jié)構(gòu)優(yōu)化的任務(wù)[2]；缺點是沒有嚴(yán)格的理論依據(jù)作為支撐，因此在實際中，一般認為是最接近理想狀態(tài)的優(yōu)化結(jié)果，但不是真正的最佳結(jié)果。在國內(nèi)外對于準(zhǔn)則法的不斷優(yōu)化中，逐漸對其進行改進，目前可以優(yōu)化的結(jié)構(gòu)問題中，變量的數(shù)量可高達上百萬個，優(yōu)化的范圍比較廣泛。

兩種方法不斷發(fā)展，互相彌補缺點形成一種新的方法，就是逼近概念法，結(jié)合了準(zhǔn)則以及數(shù)學(xué)規(guī)劃法，一方面有嚴(yán)格理論作為優(yōu)化的基礎(chǔ)，同時還具有不斷逼近的功能，從而進行簡化優(yōu)化，然后用迭代法進行求解，最終得到優(yōu)化解，達到結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的。截面優(yōu)化問題中桁架的問題就使用該方法，設(shè)計變量取為桁架截面面積的倒數(shù)，然后進行結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化。

數(shù)學(xué)規(guī)劃由于存在理論基礎(chǔ)，可以與有限元軟件進行結(jié)合求解，使得數(shù)學(xué)規(guī)劃法的應(yīng)用更為流行，隨著結(jié)構(gòu)優(yōu)化的不斷發(fā)展以及應(yīng)用過程中存在的問題，已經(jīng)不再是最初只能滿足簡單要求的優(yōu)化法，現(xiàn)在說的結(jié)構(gòu)優(yōu)化是需要在系統(tǒng)上的優(yōu)化及多目標(biāo)優(yōu)化、高層次的優(yōu)化[3]。

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的工作很復(fù)雜，最基本的兩項任務(wù)是設(shè)計需要實現(xiàn)的功能，以及實現(xiàn)功能后結(jié)構(gòu)的可靠性以及安全性問題，另一項工作是在設(shè)計的時候考慮工程的造價問題，滿足結(jié)構(gòu)的各項功能指標(biāo)的同時費用的控制也是很重要的[4]。

1 概念優(yōu)化設(shè)計

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，計算機的應(yīng)用提供了方便性，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計的高度逐漸上升，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員對于繁復(fù)的計算工作不再進行手算，通過輸入計算機中，經(jīng)過有效地計算得出相應(yīng)的結(jié)果。結(jié)構(gòu)設(shè)計人員需要做的就是扎實的理論依據(jù)，以及豐富自己的經(jīng)驗，重點放在一些傳統(tǒng)問題中比較棘手而且難以解決的問題，通過自己的分析以及經(jīng)驗對于問題得到更加合理的答案，從而使得設(shè)計方案更加的適用、合理以及經(jīng)濟，因此設(shè)計者的時間大多放在概念設(shè)計上。

概念設(shè)計的一整套流程就是設(shè)計人員首先從最初關(guān)于結(jié)構(gòu)的信息(選型、布置、分析以及計算)等方面著手，然后解決遇到的問題，根據(jù)不同工作的規(guī)律以及流程，結(jié)合相關(guān)的經(jīng)驗以及因素，對問題進行解決、分析以及處理，最終確定合理的方案。

建筑設(shè)計方案一般結(jié)構(gòu)布置方式有很多種，因此確定結(jié)構(gòu)的布置方式是首要任務(wù)，一旦確定了結(jié)構(gòu)的布置方式，接下來考慮的是受力荷載分析，荷載的分布以及受力同樣需要進行選取以及確定；然后是建筑物關(guān)于細部的處理。在應(yīng)用計算機進行處理的時候，上述工作是無法通過計算機單獨完成的，需要設(shè)計人員的協(xié)助以及確認，根據(jù)自己在設(shè)計領(lǐng)域的專業(yè)知識以及經(jīng)驗進行判斷。這些判斷不依賴于計算機，靠的就是工程設(shè)計人員的理論基礎(chǔ)以及經(jīng)驗，即所謂的概念設(shè)計。

概念設(shè)計中會出現(xiàn)很多問題需要解決，然后考慮在建筑物投入運行中可能受到的各種不利因素以及破壞力，這些都是概念設(shè)計的主要內(nèi)容，因此在實際設(shè)計過程中要重視概念設(shè)計。

2 結(jié)構(gòu)布置的概念設(shè)計

結(jié)構(gòu)布置涉及受力，因此要從全局出發(fā)，綜合抗震設(shè)計的基本原則，對于不必要的內(nèi)耗問題要盡可能地降低，對于結(jié)構(gòu)的剛度突變和扭轉(zhuǎn)效應(yīng)盡可能的減小，讓構(gòu)件的功能盡可能的充分發(fā)揮，盡其所能[5]。

在跟建筑師交底的基礎(chǔ)上，對建筑物整體結(jié)構(gòu)的布置和選型要充分考慮后再做決定。建筑師的要求是滿足外觀上的獨特，以表達他的思維以及藝術(shù)的品味和判斷，而對于結(jié)構(gòu)工程師來說結(jié)構(gòu)受力安全可靠才是最重要的，但是同時滿足建筑師的要求，設(shè)計新的結(jié)構(gòu)受力形式使得建筑師的設(shè)計得以實現(xiàn)。結(jié)構(gòu)上一般對于簡單的低層以及多層結(jié)構(gòu)都是很容易滿足的，其受力并不復(fù)雜，但是對于高層結(jié)構(gòu)的設(shè)計，在建筑師表達自己的想法時，會出現(xiàn)與結(jié)構(gòu)工程師脫節(jié)的情況，因此在與建筑師交底的過程中，結(jié)構(gòu)師應(yīng)該介入荷載的平面布置以及豎向布置，使得兩者的要求皆可滿足[6]。

建筑設(shè)計方案的完成標(biāo)志著下一項工作的開始，結(jié)構(gòu)方案的選擇，每個構(gòu)件都需要考慮受力，其中包括可預(yù)見的受力情況以及不可預(yù)見的受力情況。豎向構(gòu)件的受力包括豎向荷載的傳遞以及風(fēng)和地震荷載的作用，隨著氣溫的變化，還會產(chǎn)生溫度應(yīng)力，因此對于豎向構(gòu)置的部件，其位置要有利于溫度應(yīng)力以及水平荷載的承受。

水平承重構(gòu)件的布置同樣要考慮一系列因素，首先要傳力路徑簡單明了，荷載的傳遞要迅速，即采取最方便快捷的方式進行，最后傳遞到基礎(chǔ)或者地基上[7]，不合理的結(jié)構(gòu)布置，會使得力的傳遞經(jīng)過多層次，將原本簡單的受力變復(fù)雜，最后傳遞到基礎(chǔ)上去。

然后是結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸大小的確定，一般先按照經(jīng)驗進行選取，具體的大小根據(jù)相關(guān)的理論進行選擇。

3 構(gòu)件截面的概念設(shè)計

構(gòu)件截面的設(shè)計，通過截面控制內(nèi)力對構(gòu)件進行正、斜截面的計算，然后進行配筋處理，概念設(shè)計在此處的應(yīng)用最廣而且也最重要，得出鋼筋量后，鋼筋的配筋方式也是很多種，不同構(gòu)件以及同一構(gòu)件的不同位置也是不同的，綜合考慮各種因素后進行確定。

4 地基基礎(chǔ)的概念設(shè)計

對于地基來說不確定因素很多，其中地基土就是一個，不同地區(qū)存在較大差異，而且目前為止，沒有確定的模型供選擇進行模擬計算，這同樣需要設(shè)計人員的理論基礎(chǔ)以及經(jīng)驗進行確定，對可能出現(xiàn)的問題以及因素進行分析和預(yù)測，之后對應(yīng)對方案進行選取，找出最佳方案。

結(jié)構(gòu)設(shè)計最常用的方法就是獨立計算，將地基、基礎(chǔ)以及上部結(jié)構(gòu)分別進行力學(xué)計算和分析，這種計算方法的缺點就是跟實際脫離比較大，其實緣由很容易解釋，就是在進行力學(xué)性能計算的時候，整個結(jié)構(gòu)是連帶關(guān)系，上部結(jié)構(gòu)的受力必然會影響下部結(jié)構(gòu)的受力，但是理論計算的時候的相分離策略忽略了這一點，造成了較大的數(shù)值差距。這就要求設(shè)計人員具備扎實的理論依據(jù)，構(gòu)件之間的受力聯(lián)系以及荷載的傳遞有較高深的理論依據(jù)，綜合各項因素，各個角度得出最佳方案。

5 構(gòu)造措施的概念設(shè)計

結(jié)構(gòu)設(shè)計完全依靠理論得出的設(shè)計方案在實際中存在較多問題，甚至對于荷載的承受能力不足，不能滿足耐久性以及可靠性要求，特別是發(fā)生地震等非常見的荷載作用，結(jié)構(gòu)會發(fā)生較大的破壞，完全失去承載能力，為了防止此類事件的發(fā)生，一般會進行構(gòu)造措施的設(shè)計。有經(jīng)驗的設(shè)計人員提出的解決方案就是使用一部分對抗震有利的構(gòu)件，提高結(jié)構(gòu)的整體性以及延性。

6 結(jié)語

概念設(shè)計的內(nèi)容包含太多，而且需要設(shè)計人員從主觀層面上進行各種理論的分析以及計算，合理的方案才能形成。通俗說法就是設(shè)計人員根據(jù)自己的經(jīng)驗以及相關(guān)的理論進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計從而確定最佳方案。對于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的深度性以及優(yōu)化的正確性完全依據(jù)設(shè)計人員的專業(yè)素養(yǎng)，尤其是解決實際問題的能力，更是依靠從事設(shè)計工作設(shè)計經(jīng)驗的累積程度。

[1] GB 50009—2001，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[2] GB 50068—2001，建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3] GB 50010—2002，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[4] GB 50011—2001，建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[5] JGJ 3—2002,J 186—2002，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[6] SAVE Internation,U.S.Govenvnent Value Engineering Requirement,home page URL:http://www.value-eng.com/about gov.html，1997:78-80.

[7] John Kelly,Steven Male.Value Management in Design and Construction[M].London, New York: E&FN Spon,1998:76-79.

Analysis on optimization methods of architectural structure design phase

Sun Zhiyong

(ShanxiCivilAirDefenseArchitecturalDesignInstitute,Taiyuan030013,China)

This paper introduced the main contents of design concept, from the structure layout, component section, foundation, structural measures and other aspects, elaborated the optimization scheme of architectural structure concept design, aimed to give full play to the function of structural members, made the architectural structure design to meet the specification requirements.

architectural structure, concept design, foundation, structure layout

1009-6825(2016)20-0039-02

2016-05-03

孫志勇(1989- )，男，助理工程師

TU318

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