崔 勇

(山西中方森特建筑工程設(shè)計研究院，山西 太原 030002)

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化方法及應(yīng)用研究

崔 勇

(山西中方森特建筑工程設(shè)計研究院，山西 太原 030002)

介紹了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的重要要求，重點討論了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化方法以及在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用，目的是提升建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計水平、提高建筑工程項目的整體建造效果。

建筑，結(jié)構(gòu)設(shè)計，優(yōu)化方法，結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0 引言

近年來，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和我國城鎮(zhèn)化建設(shè)進程的不斷推進，我國建筑工程行業(yè)獲得了蓬勃發(fā)展。在激烈的市場競爭條件下，建筑企業(yè)加強了對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化和應(yīng)用，目的是在滿足建筑居住性要求的同時，提高建筑物的美觀度、實用性、安全性和宜居性，從而更好的滿足人們的需要。此外，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的合理性和科學(xué)性也影響了建筑工程項目建設(shè)過程中的資金使用情況。通過優(yōu)化設(shè)計，能夠大大提高資金的有效使用率，提升企業(yè)的經(jīng)營利潤。

本文重點討論建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化方法以及在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用，目的是提升建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，延長建筑物的使用壽命。

1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的重要要求

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的改進引導(dǎo)著建筑行業(yè)的多元化發(fā)展趨勢，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計水平直接影響了建筑物的安全性、舒適性、美觀性、經(jīng)濟性和宜居性。隨著我國城市建筑用地的逐年減少，高層建筑物不斷涌現(xiàn)，高層建筑作為一類特殊建筑物對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求更高，必須不斷優(yōu)化和改進設(shè)計方法，才能為建筑工程建設(shè)提供良好的方案。

在進行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的過程中，要將滿足建筑物的安全性和質(zhì)量要求放在首要考慮的位置，同時要高度重視細節(jié)的研究和優(yōu)化?？梢猿浞謪⒖祭眯滦徒ㄖ牧虾徒ㄖO(shè)計技術(shù)，充分發(fā)揮材料的性能優(yōu)勢，從而有效的控制建筑項目的成本。要對建筑物的整體設(shè)計方案和局部設(shè)計方案同時進行優(yōu)化，保證整體質(zhì)量優(yōu)良、部件質(zhì)量過關(guān)的同時，注意協(xié)調(diào)不同結(jié)構(gòu)部件之間的有機協(xié)調(diào)，提高建筑的適用性。

2 建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的步驟

2.1 建立結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型

建立結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型是建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的重要步驟，即通過選取建筑結(jié)構(gòu)相關(guān)的參數(shù)，以參數(shù)為基礎(chǔ)建立模型后進行最優(yōu)化的分析和處理，最終計算出模型的最優(yōu)解。在建立結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型中有兩個重要的任務(wù)，一是從大量的變量中選取科學(xué)、合理的變量作為模型參數(shù)，參數(shù)的選取直接影響了模型的正確性、有效性，也影響著模型優(yōu)化求解過程的復(fù)雜度和工作量；二是目標函數(shù)的確定，目標函數(shù)是模型的主要組成，是優(yōu)化求解過程的依據(jù)，目標函數(shù)還包括對相關(guān)約束條件的確定，例如強度、尺寸、應(yīng)力、彈塑性等要求，約束條件的設(shè)置直接影響了模型的正確性。

2.2 優(yōu)化設(shè)計計算方案

在模型、參數(shù)和約束條件確定后，進行具體的優(yōu)化方案計算處理。在優(yōu)化過程中，根據(jù)最優(yōu)化數(shù)理統(tǒng)計的要求，需要將約束條件變?yōu)榉羌s束條件后才能開展優(yōu)化過程。要系統(tǒng)、全面的考慮相關(guān)參數(shù)、變量的約束，選擇合理的優(yōu)化算法進行處理，以保證模型的收斂性、穩(wěn)定性以及能夠獲得穩(wěn)定的全局唯一最優(yōu)解。

2.3 程序設(shè)計

在計算方案后，應(yīng)用現(xiàn)代化的計算機技術(shù)進行程序的編寫，程序確定完畢后，只需進行參數(shù)和輸入就可以利用計算機自動進行優(yōu)化處理并獲得最終的方案，此外，計算機能夠通過美觀、直觀和清晰的方式將最終結(jié)果展示出來。

2.4 結(jié)果分析

結(jié)果分析是指對計算機程序輸出的數(shù)據(jù)結(jié)果進行詳細的分析和比對，根據(jù)相關(guān)信息確定最終的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。要綜合性的考慮各類影響因素，包括經(jīng)濟因素、政策因素、實現(xiàn)能力的因素等，盡可能保證設(shè)計方案的科學(xué)性和可行性。對于建筑工程項目來說，人力成本和時間成本是需要重點考慮的，因此優(yōu)化設(shè)計的方案應(yīng)當在保證建筑安全的前提下盡可能將這些降到最低。具體包括要在技術(shù)指標和經(jīng)濟指標之間找到合適的平衡點，在滿足先進技術(shù)要求的前提下盡量節(jié)省建設(shè)資金。同時要認識到，采用新技術(shù)能夠減少不必要的資金、成本、材料和人力的消耗，應(yīng)當鼓勵新技術(shù)的應(yīng)用。

3 建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用

3.1 整體優(yōu)化和結(jié)構(gòu)優(yōu)化

建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的整體優(yōu)化應(yīng)用包括房屋設(shè)計體系、結(jié)構(gòu)體系和安裝體系的規(guī)范，而結(jié)構(gòu)優(yōu)化則是指對分系統(tǒng)、子系統(tǒng)進行優(yōu)化和設(shè)計，使其能夠更好滿足居住需求，同時各個分、子系統(tǒng)之間能夠協(xié)調(diào)配合。從另一個角度來說，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計涉及到大量的零件、材料、結(jié)構(gòu)選型等內(nèi)容，如果想實現(xiàn)設(shè)計方案的良好應(yīng)用，必須從整體角度出發(fā)、兼顧結(jié)構(gòu)和局部的優(yōu)化。

圖1為某設(shè)計方案對于建筑的整體和局部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方案。

3.2 壽命優(yōu)化和分段優(yōu)化

應(yīng)用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化方法能夠促進建筑物的應(yīng)用壽命，延長使用時間，從而提升建筑工程企業(yè)的經(jīng)濟效益。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計具有時效性，建筑物隨著事件的推移對結(jié)構(gòu)、材料和技術(shù)的應(yīng)用也在不斷變化，每個不同的應(yīng)用階段都有不同的優(yōu)化需求。因此結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法的應(yīng)用要重視分段優(yōu)化，以滿足不同時間段內(nèi)的需求。

3.3 上部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

上部結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要是指對剪力墻結(jié)構(gòu)的上部結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，即通過對剪力墻的合理布設(shè)，使剪力墻的整體質(zhì)量均勻，保證整個樓層結(jié)構(gòu)的重心與樓層平面剛度中心重合，在嚴重的外力影響下，例如地震、狂風(fēng)等，能夠減弱其對剪力墻的影響。在一定的條件下，可以盡量使用大開間的剪力墻，通過將墻肢長度進行延長，能夠在滿足需要的前提下減少墻肢的數(shù)量，從而大大減少對于混凝土的使用。由于剪力墻的抗震、抗外力性能較差，在對抗震性能要求較高的區(qū)域內(nèi)應(yīng)當盡量減少大開間剪力墻的設(shè)計和應(yīng)用。

3.4 結(jié)構(gòu)同建筑的協(xié)調(diào)優(yōu)化

在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方案具體應(yīng)用的過程中要盡量保證結(jié)構(gòu)和建筑整體平面的協(xié)調(diào)與配合。例如在進行墻壁、建筑柱的設(shè)計時，應(yīng)當盡量保證滿足建筑物內(nèi)部平面的使用需求，保證房間內(nèi)開間、進深的統(tǒng)一。墻與柱不能出現(xiàn)錯位，設(shè)計和布置要盡量簡潔，不同樓層的墻與柱的高度和截面面積等參數(shù)要保證一致。在進行電梯、樓梯等的設(shè)計時，要選擇高強度的承重構(gòu)件應(yīng)用于轉(zhuǎn)角區(qū)域，該區(qū)域的應(yīng)力集中，因此要注意應(yīng)用降低自重的措施，對于其中不能承重的構(gòu)件，可以考慮使用較輕的器材進行替代。

3.5 優(yōu)化步驟的分解

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的模型一般由若干參數(shù)、約束條件等組成，模型的優(yōu)化步驟較為復(fù)雜，一般模型整體不滿足穩(wěn)定最優(yōu)解的要求，而必須采用分步驟優(yōu)化的方式。首先將模型分解為若干個問題進行單獨的優(yōu)化處理，獲得子問題的穩(wěn)定最優(yōu)解，其次對子問題進行循環(huán)優(yōu)化的調(diào)整，從而獲得整體模型的最優(yōu)解。

3.6 建筑結(jié)構(gòu)地基的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對于建筑物尤其是高層、超高層建筑來說，地基對于整體的安全性、穩(wěn)定性至關(guān)重要。在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，必須首先對建筑物所處區(qū)域的地質(zhì)情況、地形情況以及周邊的建筑、管道布設(shè)情況進行實地勘察，在此基礎(chǔ)上進行優(yōu)化方案的設(shè)計，一方面能夠滿足建筑物的安全、穩(wěn)定需求，提高建筑物的整體質(zhì)量；另一方面也能避免一些不必要的施工，降低整體的施工成本和費用支出。

3.7 其他應(yīng)用優(yōu)化

除了針對模型、參數(shù)和約束條件等方案技術(shù)內(nèi)容的優(yōu)化，在實際應(yīng)用中，還應(yīng)當重視對建筑結(jié)構(gòu)施工程序的優(yōu)化與設(shè)計，目的是通過采用合理、科學(xué)的施工程序，保證施工步驟的有序執(zhí)行，保證方案的最優(yōu)實現(xiàn)，提升整體施工質(zhì)量。

4 結(jié)語

對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化和應(yīng)用對于提升建筑施工水平、延長建筑使用壽命、提高居住者的滿意度等都具有重要意義。應(yīng)當加大對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的重視程度，根據(jù)具體應(yīng)用情況進行調(diào)整和改進，不斷提升房屋建造質(zhì)量，提高建筑工程項目的整體建造效果。最終實現(xiàn)提升建筑行業(yè)的整體水平，提高建筑工程企業(yè)的經(jīng)濟效益。

[1] 丁 博.試述建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用[J].建材與裝飾,2015(51):65-66.

[2] 張愛霞,周世忠.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化方法及應(yīng)用分析[J].低碳世界,2016(7):153-154.

[3] 葛 洋.房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用研究[J].四川水泥,2015(10):130.

Study on optimizing methods and application of building structure design

Cui Yong

(ShanxiZhongfangsenteBuildingEngineeringDesignAcademy,Taiyuan030002,China)

The paper introduces important demands of building structure design optimization, mainly discusses building structure design optimizing methods and its application in housing structure design, with a view to improve the building structure design level and enhancing integral building engineering project construction effect as well.

building, structure design, optimizing methods, structural optimization

1009-6825(2017)22-0027-02

2017-05-25

崔 勇(1963- )，男，高級工程師

TU318

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