張 浩孟玲輝(山東省濱州市規(guī)劃設計研究院 56600 山東省濱州城建集團公司 56600)

建筑結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化方法的應用研究

張 浩1孟玲輝2
(1山東省濱州市規(guī)劃設計研究院 256600 2山東省濱州城建集團公司 256600)

本文主要講述了在對建筑的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計時所運用到的結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化理論方法，應用這種方法可以得到建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化模型以及相關(guān)的計算方法，從而在實際的建筑房屋設計中體現(xiàn)出其結(jié)構(gòu)設計的特征。將該種方法的理論運用到實際中去，對于節(jié)約建筑物的成本有著極大的好處。在現(xiàn)實生活的建筑設計中，該理論方法具有很強的可操作性，為今后在建筑行業(yè)中應用結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化理論提供了充足的理論依據(jù)，對于建筑行業(yè)的長遠發(fā)展具有深刻的意義。

建筑物；設計優(yōu)化；建筑結(jié)構(gòu)設計

隨著我國現(xiàn)代化步伐的加快，經(jīng)濟水平的逐步提高，人民生活水平相較以前有了極大的提高。人們對生活的要求越來越高，其中就包括住房問題。人口的持續(xù)增長使得城市里的高樓大廈越來越多，而與此相對應的，城市里可用來開發(fā)房地產(chǎn)的土地資源卻越來越少，土地資源有限，人口與土地資源的矛盾日益顯得嚴重，這樣的后果就是直接推動了土地價格的上漲，開發(fā)商在開發(fā)建筑物時所需要付出的成本也越來越高，人民的住房壓力也越來大。如何降低房屋的建設成本就成為開發(fā)商一個急需解決的問題，將建筑物的開發(fā)成本控制在一個相對合理的水平里面。

1 優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設計方法

目前社會上的許多建筑物在外觀上都可以給人帶來一種愉悅的享受，這是因為在建筑的施工設計上采用了結(jié)構(gòu)設計的相關(guān)理論，使二者能夠非常有效的結(jié)合在一起，進而實現(xiàn)了外觀美感的提高。在生產(chǎn)實踐中，我們對建筑物的要求一般都是安全實用、美觀、建筑施工簡單方便等目標。本文所闡述的結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化理論就能夠?qū)ㄖ锏脑O計技術(shù)進行優(yōu)化，從而滿足人們對建筑物結(jié)構(gòu)強度高、外表美觀的要求，它還能夠使建筑物的性能更加安全、建設成本進一步降低，向真正的“經(jīng)濟適用型”建筑物接近。從建筑學的角度來分析，結(jié)構(gòu)化設計優(yōu)化理論主要體現(xiàn)在對建筑工程結(jié)構(gòu)進行總體的優(yōu)化設計以及優(yōu)化設計建筑工程結(jié)構(gòu)這兩個方面上。

1.1 建筑模型的優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計方法。

在進行一項大工程的實際設計施工前，首先設計出一個建筑模型，然后對該建筑模型進行理論上的優(yōu)化是十分必要的。對建筑工程進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計主要包含以下幾個方面：對圍護結(jié)構(gòu)以及基礎結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計、對結(jié)構(gòu)的具體部分以及屋蓋系統(tǒng)方案進行優(yōu)化設計。除了對這些部分要做一些必要的優(yōu)化設計以外，對建筑物的造型、整體布局、結(jié)構(gòu)受力分析、工程造價等等各方面進行具體的優(yōu)化設計也是有必要的。在優(yōu)化這些設計的過程中，所有的工作都是從實踐出發(fā)，依據(jù)工程的實際情況，以建筑物的綜合經(jīng)濟價值為目標來進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計。在實際的結(jié)構(gòu)設計中，首先要明白設計的意圖，實現(xiàn)了該目標后，再要使建筑物的空間布置比較有規(guī)則，減小剛度與質(zhì)量中心的差異性，采用了這種做法，可以有效避免水平荷載和建筑物之間過大的扭轉(zhuǎn)作用力。在垂直方向上要減少轉(zhuǎn)換層的使用，從而避免應力都集中在一塊。

約束房屋結(jié)構(gòu)可靠度的優(yōu)化設計主要包含以下條件：裂縫寬度以及結(jié)構(gòu)強度約束、應力以及尺寸約束、從正常時的極限狀態(tài)下彈性約束到終極狀態(tài)的彈塑性約束、從可靠指標約束到確定性約束條件等等。在實際的建筑物設計中，我們要做到各種約束條件都滿足現(xiàn)行的各種規(guī)章制度，符合行業(yè)的標準要求。

1.2 建筑模型的優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計的計算方案。

在完成了計算方案的設計后，我們只需要再設計一種符合要求的程序，應用該程序就可以得到對建筑物的最終優(yōu)化結(jié)果。但是在實際操作中，結(jié)構(gòu)設計需要對多個約束條件以及多個變量進行優(yōu)化，這就涉及到非線性化的優(yōu)化問題，因此，在設計程序時，要將有約束條件的相關(guān)變量轉(zhuǎn)化成為無約束條件的變量來進行計算。在實際的建筑工程實踐中，常用的計算方法有拉氏乘子法、Powell 算法和符合型等，可以利用這些方法對建筑物的模型設計出合理的結(jié)構(gòu)設計方案。

2 優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設計技術(shù)在實踐中的應用

在對建筑物模型設計好了優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計方案后，就可以在實際設計施工中應用該理論方法。結(jié)構(gòu)化設計優(yōu)化理論是當前一個非常常見的研究項目，要想實現(xiàn)將結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化理論應用于實踐中，但不可以改變建筑物的適用性能，而且可以實現(xiàn)降低工程造價的目標，這是從事建筑行業(yè)的設計人員一直追求的目標。在建筑物項目的整體設計以及前期設計中，老舊危房的改造以及相關(guān)建筑物的抗震設計等各個環(huán)節(jié)中應用結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化理論，會產(chǎn)生極大的經(jīng)濟效益。

在應用結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化理論對建筑物的模型進行優(yōu)化時，要特別對以下三個方面的問題加以注意：進行結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化的前期工作，優(yōu)化概念設計以及細部結(jié)構(gòu)設計，優(yōu)化地基基礎結(jié)構(gòu)部分。下文將就這三方面的問題加以詳細的討論。

2.1 參與結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化的前期工作

建筑物的前期設計方案對建筑物的總造價有著直接的影響，但是現(xiàn)在存在的主要的問題就是結(jié)構(gòu)設計中并不包含在前期方案的階段中，設計師在對建筑物進行設計時一般情況下不會將結(jié)構(gòu)的可行性及其合理性考慮進去，但是結(jié)構(gòu)設計的結(jié)果是與建筑設計的結(jié)果息息相關(guān)的，設計師的某些方案或許會增加建筑物結(jié)構(gòu)設計的難度，造成施工難度加大，從而導致建筑物的總投資比預期要高出許多。如果將結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計融入到建筑設計方案的初期中去，那么建筑師們就可以針對不同的建筑物選擇相應的結(jié)構(gòu)方案和設計方案，使得建筑物在結(jié)構(gòu)上有根本的質(zhì)量保證。

2.2 將概念設計和細部結(jié)構(gòu)設計進行優(yōu)化

概念設計主要應用于抽象化的建筑物指標中，比方說地震設防烈度，由于實際情況的地震強度具有不可預測性，通過計算程序得到的結(jié)果與現(xiàn)實的具體情況還是有很大差異的，在進行類似指標的設計時就要運用到概念設計的相關(guān)理念和方法，通過這種方法可以得到一個數(shù)值，然后將這個數(shù)值作為設計的輔助和參考的依據(jù)。在實際的建筑物設計中，需要建筑設計師采用多種方案，靈活運用結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化的方法，得出最符合要求的方案，使結(jié)構(gòu)設計的效果達到最佳。

3 優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設計實際價值

在建筑物的設計中，對建筑物進行結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化顯得十分重要，因為使用結(jié)構(gòu)設計一方面可以降低建筑物的投資，另一方面可以提高建筑物結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性，這些對于建筑物的建設來說具有實際價值。

3.1 通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計來降低總造價

在實際的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計中，多層建筑物和高層建筑物有著明顯的不同，根據(jù)實際情況來說，建筑物的層數(shù)越多，相對應的總建筑面積就越大，建筑物單位面積所占用的土地資源就越小，這雖然可以節(jié)約土地資源，但隨著建筑物層數(shù)的增加，各建筑物與建筑物之間的間距也會加大，這種情況就不能說土地的使用量與建筑物層數(shù)是呈正相關(guān)了?？紤]到屋蓋部分，不管層數(shù)多少，一棟樓只有一個屋蓋，所以樓數(shù)增加可以使建筑成本下降。但是基礎部分會隨著建筑物層數(shù)的增加承載的荷載相應會增加，這就需要對該部分加大投資，單位面積的造價就會下降，但不會像屋蓋那樣明顯。

3.2 通過進行結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化來提高建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性

建筑物越高，水衛(wèi)和電氣的管線相對應的也會增加。但建筑物高度越低，可以節(jié)約材料，各建筑物之間的距離減少，可節(jié)約土地資源。建筑物形狀的不同其受力性能也不同，提高建筑的經(jīng)濟性能。

4 結(jié)論

在建筑物的實際設計中采用結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化方法，能實現(xiàn)對有限資源的最大程度的利用，達到經(jīng)濟化、適用性以及實用性的目標。這可以滿足人們對建筑物的各方面的要求，提高人們的居住環(huán)境和生活環(huán)境。與此同時，這也可以讓建筑商尋找新措施來滿足顧客的要求，降低成本。

[1]張振興,劉寧波,何偉等.復雜造型建筑結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化與施工[J].施工技術(shù),2014,(9):11-15

[2]林可勃.試論建筑結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化及造價成本控制[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2014,(12):145-146

[3]姜代紅,劉一凡.基于分布估計算法的建筑結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化[J].河北大學學報（自然科學版）,2015,35(1):83-88

TU7

B

1007-6344（2016）04-0087-01