房屋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法的模型及計算方法

1、房屋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法的模型及計算方法-結(jié)構(gòu)理論人們物質(zhì)需求及市場價格變化使得建筑的成本攀升，利用結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu) 化的方法對建筑結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計是實現(xiàn)資源最大化的重要手段，本文建立了結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化設(shè)計方法的模型及計算方法，同時強調(diào)了其在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用中的注意事項，在建筑實踐中具有極強的可操作 性，同時結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化也給建筑市場的發(fā)展帶來了深遠的意義。近年來，由于土地價格市場的變化，不斷上漲的土地價格給開發(fā) 商的建筑總成本控制帶來了極大的壓力， 同時，人們對于居住條件及 生活環(huán)境的要求不斷提高，相應(yīng)建筑產(chǎn)品的品質(zhì)要求也就不斷提高， 這就讓開發(fā)商不斷尋求新的手段滿足顧客需求，而降低工程造價就成 為開發(fā)商追

2、求的直接目標(biāo)，這就需要我們利用結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化設(shè)計技術(shù) 方法，提高有限空間、有限資源的最大化效果發(fā)揮，實現(xiàn)經(jīng)濟化、實 用性和適用性的良好目標(biāo)。1. 結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法賞心悅目的建筑是建筑的美觀與結(jié)構(gòu)設(shè)計相互協(xié)調(diào)密切配合的 結(jié)果。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計追求適用、安全、經(jīng)濟、美觀和便于施工五種效 果，而建筑設(shè)計優(yōu)化設(shè)計技術(shù)方法的應(yīng)用不但滿足了建筑美觀、造型優(yōu)美的要求又能使房屋結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟、合理，成為實際意義上的經(jīng) 濟適用”房。從建筑上分析結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法，它主要體現(xiàn)在房屋工 程分部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計和房屋工程結(jié)構(gòu)總體的優(yōu)化設(shè)計量方面。房屋工程分部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計包括：基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計、屋 蓋系統(tǒng)方案的優(yōu)化設(shè)計、圍

3、護結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計和結(jié)構(gòu)細部設(shè)計的 優(yōu)化設(shè)計。對以上幾個方面的優(yōu)化設(shè)計還包括選型、 布置、受力分析、 造價分析等內(nèi)容，在實施過程中，還應(yīng)該按照一切從實際出發(fā)的原則， 結(jié)合具體工程的實際情況，圍繞房屋建筑的綜合經(jīng)濟效益的目標(biāo)進行 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)在滿足設(shè)計意圖后，盡量使平面 布置規(guī)則，縮小剛度和質(zhì)量中心的差異，這樣水平荷載就不會使建筑 物有太大的扭轉(zhuǎn)作用。豎直方向上應(yīng)避開使用轉(zhuǎn)換層，減少應(yīng)力集中 現(xiàn)象。1.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計模型。結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化就是在各種影響變量中選 擇主要參數(shù)，并建立函數(shù)模型，運用科學(xué)合理的方法得出最優(yōu)解。結(jié) 構(gòu)總體的優(yōu)化建立模型的大致步驟如下：（1）設(shè)計變量的合理

4、選擇。通常的設(shè)計變量選擇對設(shè)計要求影響較大的參數(shù)，將所涉及的參數(shù)按照各自的重要性區(qū)分，將對變化影響不大的參數(shù)定為預(yù)定參數(shù)，通過這種方法可減少很多計算編程的工作量。（2）目標(biāo)函數(shù)的確定。使用函數(shù)找出滿足既定條件的最優(yōu)解。最后， 約束條件的確定。房屋結(jié)構(gòu)可靠度優(yōu)化設(shè)計的約束條件， 包括了應(yīng)力 約束、裂縫寬度約束、結(jié)構(gòu)強度約束、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(biāo)約束到確定性約 束條件等。設(shè)計中，要保證各約束條件必須符合現(xiàn)行規(guī)范的要求。1.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化計算方案。結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化設(shè)計多個變量、多個約束 條件，屬于一個非線性的優(yōu)化問題，設(shè)定計算方案時，常將有約束條 件轉(zhuǎn)變

5、為無約束條件來計算。常用的方法有拉氏乘子法、符合型法、 Powell等。完成計算方案的設(shè)定后只需編制相應(yīng)適用的運算程序即可 得到我們的最終優(yōu)化結(jié)果。2. 結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)的實踐應(yīng)用結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法應(yīng)用于實踐之中，是目前一個比較廣泛的課 題，利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法在不改變適用性能的前提下達到降低工程造 價的目的。結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用于項目的整體設(shè)計、前期設(shè)計，舊 房改造，抗震設(shè)計等設(shè)計的各分部環(huán)節(jié)，發(fā)揮著巨大的效益。在按照 結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的方法及模型進行實踐的過程中， 要注意下面的幾個問 題。2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化應(yīng)注意前期參與。因為前期方案的確定直接影 響建筑的總投資，而現(xiàn)在存在的普遍問題就是前期方案階

6、段結(jié)構(gòu)設(shè)計 并不進行參與，建筑師進行建筑設(shè)計時大多并不考慮結(jié)構(gòu)的合理性以及它的可行性，但是建筑設(shè)計的結(jié)果卻直接對結(jié)構(gòu)設(shè)計造成影響，某些方案可能會增加結(jié)構(gòu)設(shè)計的難度， 并使得建筑的總投資提高。如果 在方案的初期，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計就能參與進來，那么我們就能針對不同 的建筑類別，選擇合理的結(jié)構(gòu)形式，合理的設(shè)計方案，獲得一個良好 的開端。2.2概念設(shè)計結(jié)合細部結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化。（1）概念設(shè)計應(yīng)用于沒有具體數(shù)值量化的情況，例如地震設(shè)防 烈度，因為它的不確定性，計算式難免與現(xiàn)實有較大的差異，在進行 設(shè)計的時候就要采用概念設(shè)計的方法，把數(shù)值作為輔助和參考的依據(jù)。設(shè)計過程中需要設(shè)計人員靈活的運用結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的方法，達

7、到最佳的效果。（2）與宏觀把握相對應(yīng)的，設(shè)計的過程同時要注意對于細部的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，比如現(xiàn)澆板中的異形板拐角處易出現(xiàn)裂縫， 可劃分為 矩形板。注意鋼筋的選擇，I級鋼和冷軋帶肋鋼市場價格差不多，但 是他們的極限抗拉力卻相差很大，所以在塑性滿足要求的情況下，現(xiàn) 澆板的受力鋼筋就可選擇冷軋帶肋鋼筋。 在做里面設(shè)計的時候，外立 面上的懸挑板及配筋，滿足基本的規(guī)范要求即可，達到既安全又經(jīng)濟 的目的。2.3下部地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化。地基基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化首先要選擇合適的方案，如果為樁基礎(chǔ)，那么要根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件選擇樁 基類型，盡量節(jié)省造價。樁端持力層對灌注樁樁長的選擇影響很大， 應(yīng)多進行比較以確定最合適的

8、方案。3. 結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的現(xiàn)實意義3.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計降低總造價。進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中，多層住宅 和高層住宅相比較，層數(shù)越多，總建筑面積增大，單位建筑面積占用 的土地面積就越小，節(jié)約了用地成本，但建筑層數(shù)的增多，建筑總高 度也會加大，樓與樓之間的間距也要加大，這時占用的土地節(jié)約量就 不與建筑層數(shù)增加比例相同了。另如屋蓋部分，一棟樓只有一個屋蓋， 并不會因為層數(shù)的增加而有所改變，它的成本下降會比較明顯。對于 基礎(chǔ)部分而言，雖然也是各層共用的，但是層數(shù)增加，傳給基礎(chǔ)的荷 載將會增大，我們需要增大基礎(chǔ)，這樣單位面積的造價有所降低，但 是卻沒有屋蓋的效果那樣明顯。3.2進行結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化提高建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性。

9、（1）建筑的層高增加，由于墻體面積和柱體積增加，結(jié)構(gòu)的自 重會增加，基礎(chǔ)和柱的承載力相應(yīng)增加，水衛(wèi)和電氣的管線會加長； 相反降低層高，可節(jié)省材料，有利用抗震，同時建筑的總高度減小，兩建筑之間的日照距離就會減小，間接的節(jié)約了用地。建筑面積相同， 建筑使用不同的平面形狀時，它的外墻周長也就會不同，這樣當(dāng)選擇 圓形或是越接近于方形時，外墻周長系數(shù)就越小，基礎(chǔ)、外墻砌體、 內(nèi)外表面裝修都隨之減少，同時其受力性能也得到提高，增強了建筑 的經(jīng)濟性能。(2)與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計相比，采用結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法可以使建 筑工程造價降低6% 34%。優(yōu)化方法的技術(shù)性實現(xiàn)，可以最合理的 利用材料性能，使建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部各單元得到最好的協(xié)調(diào)，不僅可以實現(xiàn)建筑美觀、實用，而且在造價方面也有較大的節(jié)省，達到了建筑工 程設(shè)計對適用、安全、經(jīng)濟、美觀和便于施工的一般要求。通過使用 優(yōu)化設(shè)計手段，達到這5個方面的最佳結(jié)合，符合現(xiàn)今建筑商對于建 筑結(jié)構(gòu)的效益的需求，也符合市場可持續(xù)發(fā)展的需求。參考文獻1 談建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計J.建筑科學(xué)，2009 (4).2 張紅友優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計減少建筑投資