趙豐
【摘 要】房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,應(yīng)用建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可以滿足這一要求,保證建筑美觀、造型優(yōu)美,同時(shí)又能夠便于房屋的施工,使房屋安全、經(jīng)濟(jì)、適用。在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)的實(shí)踐過(guò)程中,應(yīng)加強(qiáng)實(shí)踐探索,降低經(jīng)濟(jì)成本,以達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益的最大化,從而在保證經(jīng)節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本和達(dá)到美觀要求的情況下合理進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
【關(guān)鍵詞】建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);優(yōu)化方法;房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
一、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的理論基礎(chǔ)
在進(jìn)行工程項(xiàng)目和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中,需要考慮的因素很多,最終目的是要在保證設(shè)計(jì)對(duì)象基本適用功能和安全可靠性的情況下,把設(shè)計(jì)對(duì)象設(shè)計(jì)到最好的程度。這就涉及到工程和結(jié)構(gòu)最優(yōu)化的問(wèn)題。用科學(xué)的語(yǔ)言來(lái)描述就是:利用確定的數(shù)學(xué)方法,在所有可能的設(shè)計(jì)方案的集合中,搜索到能夠滿足預(yù)定目標(biāo)的、最令人滿意的方案。
從建筑理論上分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法可以得知,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面,其一是房屋工程部分結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì),其二是房屋工程結(jié)構(gòu)總體的優(yōu)化設(shè)計(jì)。后者的優(yōu)化設(shè)計(jì)包括:屋蓋系統(tǒng)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)細(xì)部設(shè)計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。穿插其中的,還包含選型、布置、受力分析、造價(jià)分析等項(xiàng)目,在實(shí)施過(guò)程中,應(yīng)遵循一定的原則,結(jié)合具體工程的實(shí)際情況,從實(shí)際出發(fā),圍繞房屋建筑的綜合經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。
在設(shè)計(jì)安全被保證的情況下,建筑師應(yīng)開(kāi)拓創(chuàng)新,挑戰(zhàn)新的結(jié)構(gòu)形式。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中,建筑師的設(shè)計(jì)意圖應(yīng)能夠得到基本滿足,應(yīng)設(shè)置盡量符合規(guī)則的平面布局,使其對(duì)稱;同時(shí)縮小質(zhì)量中心和剛度中心的差異,使建筑物在水平荷載作用下不致于產(chǎn)生太大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。在豎直方向的布置上,應(yīng)確保在滿足功能要求的情況下,盡最大可能貫通豎向的承重構(gòu)件;為使結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)上的難度不致于太大,減少不必要的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi),使應(yīng)力分散,轉(zhuǎn)化層應(yīng)盡可能少地使用;豎直方向的剛度要漸變,而不要突變,如若不然,在水平荷載作用下,突變處會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象,這是非常不利于結(jié)構(gòu)抵抗水平動(dòng)力荷載的。
二、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)的意義所在
在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中運(yùn)用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以起到非常好的效果,這不僅可以使房屋看起來(lái)更加美觀,用起來(lái)更加實(shí)在,而且也能夠節(jié)省大量的造價(jià),起到良好的效果。幾乎每一個(gè)建筑商都希望,在建筑結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)遠(yuǎn)效益得到滿足的情況下,應(yīng)盡可能地降低建筑結(jié)構(gòu)的近期投資,與此同時(shí),保障建筑物結(jié)構(gòu)的可靠性和科學(xué)性。只有這樣,才能順利實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,得到更多、更大的經(jīng)濟(jì)效益。
采用設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法與采用傳統(tǒng)房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法相比優(yōu)點(diǎn)是十分明顯的,它可以使建筑工程造價(jià)得到大幅度降低,降幅達(dá)到35%。要實(shí)現(xiàn)優(yōu)化方法的技術(shù)性問(wèn)題,材料的性能要合理利用起來(lái),爭(zhēng)取協(xié)調(diào)好建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部的各單元,達(dá)到建筑規(guī)范所規(guī)定的安全水平。同時(shí),優(yōu)化方法的技術(shù)性實(shí)現(xiàn)還可以合理決策建筑整體性方案設(shè)計(jì),它可以有效實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)化、實(shí)用性和適用性的良好目標(biāo)。
三、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
(一)結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型
房屋結(jié)構(gòu)整體優(yōu)化設(shè)計(jì)方法分以按 3 個(gè)步驟進(jìn)行。首先 ,選擇設(shè)計(jì)變量。一般把對(duì)設(shè)計(jì)要求起主要影響作用的參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量 ,如目標(biāo)控制參數(shù)(結(jié)構(gòu)造價(jià) C1 和損失期望 C2)和約束控制參數(shù)(結(jié)構(gòu)的可靠度 PS);而將那些對(duì)設(shè)計(jì)要求來(lái)講 ,變化范圍不大或是根據(jù)結(jié)構(gòu)要求或局部性的設(shè)計(jì)考慮就能滿足設(shè)計(jì)要求的參數(shù)等作為預(yù)定參數(shù) ,這可以大大減少設(shè)計(jì)、計(jì)算和編制程序的工作量 ;其次 ,確定目標(biāo)函數(shù)。尋求一組滿足預(yù)定條件的截面幾何尺寸和鋼筋截面積以及失效概率 ,從而使總費(fèi)用最小 ;第三 ,確定約束條件。房屋結(jié)構(gòu)基于可靠度優(yōu)化設(shè)計(jì)的約束條件 ,則包括尺寸約束、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度約束、應(yīng)力約束、變形約束、裂縫寬度約束、構(gòu)件單元約束、結(jié)構(gòu)體系約束、從正常使用極限狀態(tài)下的彈性約束到最終極限狀態(tài)的彈塑性約束、從可靠指標(biāo)約束到確定性約束條件等。在設(shè)計(jì)中 ,要使結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用于實(shí)際房屋結(jié)構(gòu)工程 ,則是路房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中實(shí)際的約束條件與目標(biāo)約束條件相比較 ,保證各約束條件都符合現(xiàn)行規(guī)范的要求 ,以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)。
(二)設(shè)定優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算方案
房屋結(jié)構(gòu)基于可靠度的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題屬于比較復(fù)雜的多變量、多約束非線性優(yōu)化問(wèn)題,一般情況下,在計(jì)算過(guò)程中,應(yīng)轉(zhuǎn)化問(wèn)題求解,即將有約束優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為無(wú)約束問(wèn)題??梢岳闷饋?lái)的優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算方法有復(fù)合形法、拉氏乘子法、Powell法等。
(三)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)
根據(jù)基于可靠度的結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型和選擇的優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算方法,編制功能齊全、運(yùn)算速度快的綜合程序。
(四)結(jié)果分析
對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析,確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。
在上述步驟的執(zhí)行過(guò)程中,涉及的問(wèn)題包括多個(gè)方面,所以要全方位、多角度地考慮。這主要是因?yàn)榻ㄔO(shè)投資這項(xiàng)工程的耗資非常大,涉及到的情況非常多,所以,總法則和考慮必須綜合進(jìn)行,不能片面地追求資金的節(jié)約而不顧設(shè)計(jì)的優(yōu)化作用。技術(shù)與經(jīng)濟(jì)之間存在一對(duì)矛盾,要能夠正確處理,因?yàn)樗强刂仆顿Y中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。因此,在設(shè)計(jì)中片面強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)節(jié)約是不正確的,應(yīng)滿足技術(shù)上的相應(yīng)要求,使項(xiàng)目達(dá)到相應(yīng)的功能傾向,與此同時(shí),要反對(duì)重視技術(shù),輕經(jīng)濟(jì)、設(shè)計(jì)保守浪費(fèi)的現(xiàn)象。
四、結(jié)語(yǔ)
總而言之,建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的研究涉及面廣泛,具有十分復(fù)雜的特點(diǎn),是一項(xiàng)綜合決策問(wèn)題。適用、經(jīng)濟(jì)、安全、便于施工和美觀是建筑工程設(shè)計(jì)優(yōu)化追求的五種效果,而這五個(gè)方面的側(cè)重點(diǎn)各不相同,相互之間又存在一些矛盾的地方,所以,在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)的實(shí)踐過(guò)程中,應(yīng)加強(qiáng)實(shí)踐探索,降低經(jīng)濟(jì)成本,以達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益的最大化,從而在保證經(jīng)節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本和達(dá)到美觀要求的情況下合理進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
【參考文獻(xiàn)】
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