摘 要：建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)從始至終都在追尋一個(gè)目標(biāo)：用最少的費(fèi)用建造出最符合業(yè)主要求的建筑物。對(duì)建筑工程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法恰恰是為這個(gè)目的提供了一個(gè)有力條件，為這一目標(biāo)提供了無(wú)限可能。數(shù)字化模型、現(xiàn)代數(shù)學(xué)的引入都為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供助力。通過(guò)現(xiàn)代方法對(duì)建筑結(jié)構(gòu)工程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)建筑師所要求建筑物的美觀、實(shí)用性、節(jié)能性，還在業(yè)主所希望的節(jié)約成本、降低造價(jià)方面有著很好的作用。

　　關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),優(yōu)化設(shè)計(jì);數(shù)學(xué)模型;優(yōu)化措施;優(yōu)化計(jì)算

　　中圖分類號(hào)：TB482.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1000-8772(2013)29-0000-02

　　一、概述

　　對(duì)于工民建工程項(xiàng)目的優(yōu)化問(wèn)題，能夠使方案達(dá)到最佳的一系列數(shù)學(xué)方法稱為最佳優(yōu)化方法，當(dāng)這些優(yōu)化方法應(yīng)用到工程實(shí)際中去的時(shí)候就稱為優(yōu)化技術(shù)。建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)一般而言會(huì)分成狹義和廣義兩個(gè)方向。從狹義上來(lái)說(shuō)，優(yōu)化設(shè)計(jì)就是鋼筋抽取問(wèn)題，但是如果僅僅是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中將鋼筋抽掉，這樣做只是降低了整體結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備，并沒(méi)有達(dá)到想要的優(yōu)化設(shè)計(jì)目的，也就是說(shuō)這并不科學(xué)。而另一個(gè)方向從廣義上講，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)就不僅包含對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本身的一種不必要冗雜配筋的去除，還包括建筑的其他各個(gè)方面，比如舒適性、建筑容積率、建筑空間利用效率、建筑節(jié)能性等各個(gè)方面。

　　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最優(yōu)化問(wèn)題其實(shí)一直伴隨著建筑史的發(fā)展而發(fā)展，進(jìn)入現(xiàn)代社會(huì)之后，開(kāi)始利用數(shù)學(xué)概念對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的近代優(yōu)化設(shè)計(jì)大體上可以分為三個(gè)階段。

　　第一，將整個(gè)建筑工程建立成一個(gè)數(shù)學(xué)模型。

　　第二，通過(guò)尋找一個(gè)合理高效的數(shù)學(xué)計(jì)算方法對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

　　第三，利用計(jì)算機(jī)軟件編程技術(shù)，編制出一套符合客觀實(shí)際的計(jì)算程序，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全數(shù)字化處理。

　　但是，做結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的人一定要注意，利用這些數(shù)學(xué)方法，一定會(huì)給出一個(gè)在已知且給定條件下的最優(yōu)解，與此同時(shí)需要注意的是，通過(guò)數(shù)學(xué)方法計(jì)算出的這個(gè)結(jié)果是不是最符合工程條件的可得解。因?yàn)榻ㄖこ痰慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)非常復(fù)雜的內(nèi)容，它包括在一定經(jīng)濟(jì)條件下，要滿足建筑的安全、美觀、使用要求、節(jié)能要求等。在利用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行解析計(jì)算時(shí)，往往是會(huì)考慮其中的一些起到主要作用的因素，而忽略掉一些客觀因素的影響，如若放到真正結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，就要通過(guò)自己的分析，將這些客觀因素融入到設(shè)計(jì)中。也就是說(shuō)，在利用數(shù)學(xué)方法結(jié)算得出最優(yōu)解時(shí)，還要根據(jù)自己的全面判斷，對(duì)其進(jìn)行一些必要的修改。

　　二、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟

　　(一)優(yōu)化結(jié)構(gòu)數(shù)字模型

　　一般而言，工民建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整體優(yōu)化方案可以按照以下幾個(gè)步驟展開(kāi)。

　　1.選擇設(shè)計(jì)變量

　　在選擇變量時(shí)，挑選的都是那些對(duì)于整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起到主要影響的參數(shù)，例如結(jié)構(gòu)的總造價(jià)、結(jié)構(gòu)損失期望值、結(jié)構(gòu)的可靠度等，而其他一些對(duì)于結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)而言，其自身的變化范圍不大，或者在局部設(shè)計(jì)中可以滿足要求的參數(shù)就不作為設(shè)計(jì)變量。從眾多變量中篩選出起到主要作用的參數(shù)，就可以大幅度降低設(shè)計(jì)、計(jì)算和編制計(jì)算機(jī)程序時(shí)的工作量。

　　2.選出目標(biāo)函數(shù)

　　在所有函數(shù)序列中找到一組可以同時(shí)滿足構(gòu)件的截面尺寸、鋼筋的配筋率等構(gòu)件設(shè)計(jì)要求的數(shù)值，該組數(shù)值要能滿足造價(jià)方面的要求，力求達(dá)到造價(jià)最低的目的。

　　3.確定計(jì)算的約束條件

　　基于結(jié)構(gòu)可靠度要求的設(shè)計(jì)約束條件，包括構(gòu)件尺寸的約束、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的約束、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、從可靠性指標(biāo)約束到確定性指標(biāo)約束等。在建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，想要將結(jié)構(gòu)最優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果應(yīng)用到實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，就需要對(duì)建筑工程實(shí)際的約束條件和計(jì)算過(guò)程中所采用的目標(biāo)約束條件相比較，保證各個(gè)約束條件滿足現(xiàn)行國(guó)家規(guī)范要求，從而為實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可能。

　　(二)優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算方案的確定

　　建筑工程的可靠度優(yōu)化問(wèn)題是一個(gè)復(fù)雜、影響因素多、約束條件不唯一、約束復(fù)雜、非線性的問(wèn)題。在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中，一般是將這種有約束條件的問(wèn)題轉(zhuǎn)化成一個(gè)沒(méi)有約束條件的問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算，完成之后再通過(guò)利用公式計(jì)算，達(dá)到有約束條件下的可靠度結(jié)果。

　　(三)計(jì)算程序的設(shè)計(jì)

　　這個(gè)步驟就需要專業(yè)人員進(jìn)行，對(duì)于這項(xiàng)工作，從業(yè)人員一定要是懂得基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，同時(shí)對(duì)于計(jì)算機(jī)編程也有一定研究。在優(yōu)化結(jié)構(gòu)數(shù)字模型和確定優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算方案基礎(chǔ)之上，利用計(jì)算機(jī)編制出一套可以用來(lái)計(jì)算在各種約束條件綜合作用下建筑優(yōu)化設(shè)計(jì)的程序。

　　(四)對(duì)于計(jì)算出的結(jié)果分析

　　根據(jù)第三步計(jì)算程序所得的成果進(jìn)行深入分析，選出最合適的結(jié)果，從而確定出最優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。

　　三、對(duì)建筑工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的現(xiàn)實(shí)意義

　　　　對(duì)于建筑工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)，節(jié)約目標(biāo)成本是一個(gè)重要目的，這一目的的達(dá)成，既滿足了業(yè)主的要求，又能體現(xiàn)出建筑師和設(shè)計(jì)師的水平，這是推動(dòng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)不斷發(fā)展的社會(huì)動(dòng)力。當(dāng)然，在節(jié)約成本的同時(shí)，一定要滿足結(jié)構(gòu)中最重要的安全可靠性，就像前面所提到的，通過(guò)數(shù)學(xué)方法，得到的可能是最優(yōu)解，但不一定就是最終所需要的結(jié)果，還需要對(duì)建筑物的其他各個(gè)方面進(jìn)行綜合考量，從而選出一個(gè)最符合要求的優(yōu)化結(jié)果。唯有如此，才能真正做到可持續(xù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)更多、更大的市場(chǎng)利益。

　　通過(guò)這些年的實(shí)際工程應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的不經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的建筑工程項(xiàng)目相比，利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法進(jìn)行優(yōu)化后的建筑方案，在工程的總造價(jià)方面，一般會(huì)有5%~35%的降低，這一點(diǎn)對(duì)于整個(gè)建筑行業(yè)而言都是不容小覷的事實(shí)。優(yōu)化設(shè)計(jì)的好處不僅僅表現(xiàn)在這一個(gè)方面，在施工技術(shù)方面也有著不俗的表現(xiàn)。優(yōu)化方法的技術(shù)性實(shí)現(xiàn)，能夠?qū)ㄖこ讨械牟牧闲阅苓M(jìn)行充分而又合理地利用，在可靠的安全度范圍內(nèi)協(xié)調(diào)好建筑物內(nèi)部各單元之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系。與此同時(shí)，針對(duì)建筑工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)，它還可為建筑整體性方案設(shè)計(jì)進(jìn)行合理決策。優(yōu)化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)的適用、經(jīng)濟(jì)和安全目標(biāo)的有效途徑。

　　四、總結(jié)語(yǔ)

　　總而言之，針對(duì)建筑工程的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究不是一個(gè)簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單利用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行分析建筑最優(yōu)解的問(wèn)題，而是一個(gè)涉及到很多學(xué)科，非常復(fù)雜的綜合決策性問(wèn)題。進(jìn)行建筑工程設(shè)計(jì)的一般原則是：適用、安全、經(jīng)濟(jì)、美觀、便于施工，這幾個(gè)方面既相互聯(lián)系又相互制約，如果側(cè)重某一個(gè)方面就必定會(huì)犧牲掉另外一方面，這就是矛盾所在，不可能所有方面都能夠照顧得很周全。這就要求建筑結(jié)構(gòu)工程師對(duì)整個(gè)工程要挑選出一個(gè)最合適的結(jié)果，利用建筑工程優(yōu)化方法;還需要建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的從業(yè)人員在以后的實(shí)踐過(guò)程中多多學(xué)習(xí)，多多摸索，多多探尋新方法，綜合其他學(xué)科知識(shí)，以最低造價(jià)實(shí)現(xiàn)最佳設(shè)計(jì)要求，滿足結(jié)構(gòu)的適用性、安全可靠性、美觀性以及方便施工的目的。

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