朱金梅

（廣州京穗勘察設(shè)計有限公司， 廣東 廣州 510000)

0 引言

對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計進行優(yōu)化，讓結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠更加貼合實際，滿足建設(shè)方的需求，同時可以節(jié)約工程建設(shè)成本，從而達到最大效益。本文針對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的弊端進行分析，提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的原則和方法：堅持安全第一兼顧舒適的優(yōu)化原則，因地制宜地優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高建筑的實用價值，降低項目建設(shè)成本。

1 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的弊端

1.1 工作效率低下

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要是結(jié)構(gòu)工程師通過建筑工程師提供的建筑圖紙進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時離不開精密計算，而建筑結(jié)構(gòu)在實施過程中也少不了對結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，確保建筑的安全性。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計需要在原來的圖紙上進行不斷地改寫。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的方式工作效率低，在修改過程中容易導(dǎo)致重要數(shù)據(jù)丟失，同時無法保證數(shù)據(jù)精確。即使傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)工程師開始進行結(jié)構(gòu)設(shè)計之前，就會將客戶的要求以及相關(guān)數(shù)據(jù)全部收集整理好，確保自己的整個結(jié)構(gòu)設(shè)計方案能夠一次通過，但是這樣的工作效率也是很低的?？蛻舨荒芏虝r間內(nèi)看到建筑結(jié)構(gòu)圖，如果出現(xiàn)方案不通過的現(xiàn)象，會拉長結(jié)構(gòu)設(shè)計時間，工作高效更是無從談起。

1.2 資源的浪費

結(jié)構(gòu)工程師是通過結(jié)構(gòu)語言來表達所要實現(xiàn)的東西，而結(jié)構(gòu)語言就是從建筑圖紙及其他專業(yè)圖紙中提煉出來的結(jié)構(gòu)元素，然后通過這些結(jié)構(gòu)元素來形成建筑物的結(jié)構(gòu)體系。在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，它不僅需要專業(yè)人員新奇的設(shè)計想法，還需要精密的計算，因此傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計形成資源浪費。在進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計時，結(jié)構(gòu)工程師一般會采用圖紙繪稿的形式，去進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。為了滿足客戶需求，結(jié)構(gòu)設(shè)計需要不斷修改，為了達到數(shù)據(jù)精密，結(jié)構(gòu)工程師需要更多的作圖工具進行繪稿，有的作圖工具只用一次，在資源上造成了一定的浪費。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計時，它缺少計算機等輔助工具，因此會使用替代工具制作相符模型，這種模型不具有重復(fù)利用性，之后銷毀也會造成資源浪費。

1.3 數(shù)據(jù)的不定性

結(jié)構(gòu)工程師在進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計時，由于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方式是手工測量的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)尺子在圖紙上按圖比畫下來，但是這種作圖的方法，很容易因為自己的失誤而造成圖紙上數(shù)據(jù)的錯誤。即使結(jié)構(gòu)工程師了解了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的要求，有可能在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)的錯誤，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)的不確定性增加,容易導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)設(shè)計的圖稿變成一張廢紙。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的準則與規(guī)劃

2.1 優(yōu)化準則

在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計時，需要滿足一些設(shè)計準則，如從工程角度來看的應(yīng)力準則，這些準則大多是從實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上總結(jié)出來的一種工程方法，通過嚴格的理論分析、研究和判斷得到，由此得到的設(shè)計一般都接近最優(yōu)。第一是滿足應(yīng)力設(shè)計準則，充分發(fā)揮材料強度潛力,較好地處理結(jié)構(gòu)中的位移、自身的震動頻率以及彈性穩(wěn)定性等問題。通常由庫恩·塔克條件建立參考方程，但其適應(yīng)范圍有限，主要適用于規(guī)定了結(jié)構(gòu)布置或形狀的情況。

2.2 數(shù)學(xué)規(guī)劃

數(shù)學(xué)規(guī)劃主要是從結(jié)構(gòu)力學(xué)的原理出發(fā)，通過運用各種數(shù)學(xué)方法去尋找結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計數(shù)據(jù)，從而使得結(jié)構(gòu)設(shè)計達到最優(yōu)化。數(shù)學(xué)規(guī)劃法所包含的理論知識也越來越多，它可以適用于各種各樣的情況之中，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計這一領(lǐng)域也具有一定的通用性。盡管它具有一定的通用性，但是仍要具體問題具體分析，結(jié)合實際去進行合理地應(yīng)用，確保后期設(shè)計稿具備最優(yōu)的解決方案。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計所要解決的問題

在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的過程中，最重要的是要學(xué)會如何去建立數(shù)學(xué)模型。建立一個數(shù)學(xué)模型主要要考慮兩個因素：一是設(shè)計變量，二是目標函數(shù)。

（1）設(shè)計變量。設(shè)計變量是建立數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)。如在建立一個3D正方體的數(shù)學(xué)模型圖的時候，首先要對整個正方體的長、寬、高進行一個數(shù)值的設(shè)計，這樣在后面建立數(shù)學(xué)模型時就有了數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，可依據(jù)這個數(shù)據(jù)進行模型設(shè)計。在整個數(shù)學(xué)模型中它的變量越多也就證明它的效果越好，但在進行變量設(shè)計時，最為重要是要結(jié)合實際情況進行數(shù)值的設(shè)計，才能準確地呈現(xiàn)整個結(jié)構(gòu)設(shè)計的數(shù)學(xué)模型，這樣的數(shù)學(xué)模型才具有使用價值。否則，即使數(shù)學(xué)模型建立出來，也會因為變量脫離客觀條件，從而導(dǎo)致這個數(shù)學(xué)模型不具有實際的作用。

（2）目標函數(shù)。在進行數(shù)學(xué)模型的建立時，也要對數(shù)學(xué)模型的各個變量設(shè)置一個函數(shù)表達式，利用這個函數(shù)表達式去表達設(shè)計的變量之間的關(guān)系。這個目標函數(shù)，也是展現(xiàn)整個結(jié)構(gòu)設(shè)計是否達到規(guī)定要求的一個判斷標準。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的原則與方法

需要結(jié)合工程的實際狀況進行科學(xué)的優(yōu)化設(shè)計，最終的結(jié)構(gòu)設(shè)計才能獲得較好的效果。針對此，提出以下幾個方面的建議。

4.1 堅持安全第一的原則

建筑結(jié)構(gòu)的安全性，是工程師在進行建筑設(shè)計之初應(yīng)首要考慮的問題。因此，我國早已頒布相關(guān)設(shè)計標準，提出建筑結(jié)構(gòu)要努力做到“小震震不壞，中震尚可修，大震不倒塌”的原則，在建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過程中，要始終將建筑結(jié)構(gòu)的安全性放在第一位。因此，在進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計時，應(yīng)分別考慮各個建筑構(gòu)件的承載力，再綜合考慮優(yōu)化后的建筑構(gòu)件的承載力，保證優(yōu)化后的建筑構(gòu)件符合安全規(guī)定，使整個建筑呈現(xiàn)出安全又耐用的特點。此外，由于結(jié)構(gòu)構(gòu)件在不同的位置，受力的大小也有所差異，因此，應(yīng)針對建筑結(jié)構(gòu)的特殊部位，對建筑構(gòu)件和設(shè)計方案進行優(yōu)化。比如，在一些復(fù)雜的建筑中，要根據(jù)剪力墻上面的錯洞情況，用特殊材質(zhì)的暗柱進行加強處理。

4.2 兼顧舒適度的原則

在建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化時，還要考慮到用戶的使用舒適度問題，堅持兼顧舒適度的原則，則應(yīng)綜合考慮建筑的平面占地、內(nèi)部空間、層高等因素，從設(shè)計、結(jié)構(gòu)、裝飾再到空調(diào)、燃氣等多方面進行優(yōu)化，從而保證用戶在建筑使用中，感受到較高的舒適感。因此，在建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計時，應(yīng)對建筑的結(jié)構(gòu)體系進行綜合優(yōu)選，對結(jié)構(gòu)的傳力路徑進行科學(xué)分析，對內(nèi)部的構(gòu)件進行合理布局，對材料的選取進行嚴格把控，總之，應(yīng)當(dāng)從多方面提升建筑的使用舒適度。

4.3 優(yōu)化結(jié)構(gòu)布局，降低成本

在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，需要注意的是對整個結(jié)構(gòu)的成本控制。通過對結(jié)構(gòu)的整體布局調(diào)整，優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)布局，使得整個結(jié)構(gòu)在保證質(zhì)量安全的前提下，能夠使建筑成本降到最低。降低成本可以從以下幾方面去考慮：在結(jié)構(gòu)的整體布局上，在保障其穩(wěn)定性的同時可以采用多元化的布局方式減少材料的使用，同時還可以在保障整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量達標的前提下，合理選擇不同材質(zhì)的材料，在材料使用上進一步降低成本。

4.4 因地制宜優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計

建筑所處的地理位置、氣候情況、土壤情況、水源情況等，也會影響建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計。因此，在進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的時候，還應(yīng)考慮建筑所處的地理位置等外在因素，采用因地制宜的方式進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。工程師在進行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，需要先對設(shè)計地區(qū)的氣候、風(fēng)俗、地形以及地質(zhì)進行勘察了解，根據(jù)這些基礎(chǔ)信息，再對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，盡量避免設(shè)計缺陷的存在。

5 結(jié)束語

當(dāng)前在建筑行業(yè)，結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件、BIM技術(shù)的運用，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計創(chuàng)造了條件，提升了效率，降低后期的施工成本，滿足當(dāng)前工程建設(shè)模式發(fā)展的需要，各建筑企業(yè)都十分重視結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,并按照安全，舒適，低成本的原則，進行整體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計，在后期的順利施工及增加收益奠定基礎(chǔ)。