淺談結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)

1、淺談結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)    摘要：隨著社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們對于居住條件及生活環(huán)境的要求不斷提高， 相應(yīng)對建筑產(chǎn)品的品質(zhì)要求也不斷提高，同時國家大力提倡建筑節(jié)能，這就需要我們利用結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(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(jì)化、實用性和適用性的良好目標(biāo)。本文就結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法應(yīng)用及意義進(jìn)行了簡單的探討，結(jié)合自身工作經(jīng)驗提出相關(guān)問題及看法。 關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計；優(yōu)化技術(shù)；新型結(jié)構(gòu)；形式應(yīng)用 中圖分類號： TB482.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號： 0 引言 結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)就是在原設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，結(jié)合新工藝和設(shè)備的使用，增加新材料的

2、投入，采用新型結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行局部設(shè)計的改變，使技術(shù)更可行，更加滿足建筑功能要求，同時節(jié)約材料， 降低造價。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、 圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計和結(jié)構(gòu)細(xì)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(jì)效益目標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。 一、結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法 進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時， 不同方案的選擇及不同的建筑

3、材料的選用對工程整體會有較大影響， 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）結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計模型 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計模型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： 一是設(shè)計變量的合理選擇。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。二、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

4、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(qiáng)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。 （2）結(jié)構(gòu)優(yōu)化計算方案 結(jié)構(gòu)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?yōu)闊o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 （3）推廣設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計 工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的形成，來源于大量成熟的、行之有效的實踐經(jīng)驗

5、和科技成果，是科技轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的必要途徑。 優(yōu)秀的工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范， 不僅優(yōu)化了設(shè)計， 減少設(shè)計的盲目性，還將大大提高設(shè)計速度， 有效降低項目的全壽命費用。 在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中可以對一些重要的部位采取設(shè)計經(jīng)濟(jì)指標(biāo)限額制度，對一些設(shè)計部位使用“宜”或“不宜”等引導(dǎo)性語言提示設(shè)計人員對方案進(jìn)行優(yōu)化， 鼓勵他們在設(shè)計中大膽使用新工藝和新材料。 整體結(jié)構(gòu)的科學(xué)性和合理性是新規(guī)范特別強(qiáng)調(diào)內(nèi)容。新規(guī)范用于控制結(jié)構(gòu)整體性的主要指標(biāo)主要有：周期比、位移比、剛度比、層間受剪承載力之比、剛重比、剪重比等。新的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范在結(jié)構(gòu)可靠度、設(shè)計計算、配筋構(gòu)造方面均有重大更新和補(bǔ)充，特別是對抗震及結(jié)構(gòu)的整體性，規(guī)則性作出

6、了更高的要求。 二、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(dá)到降低工程造價的目的。 結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)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。進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，要把握好技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的對立統(tǒng)一關(guān)系，既要反對片面強(qiáng)調(diào)節(jié)約，忽視技術(shù)上的合理要求的做法，又要反對設(shè)計保守浪費，只重技術(shù)，輕經(jīng)濟(jì)的思想。在按照結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的方法及模型進(jìn)行實踐的過程中，要注意下面的幾個問題。 （1）結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化應(yīng)注意前期參與 結(jié)構(gòu)設(shè)計的階段分為三個：結(jié)構(gòu)方案階段、結(jié)構(gòu)計算階段和施工圖設(shè)計階段。

7、概念設(shè)計是展現(xiàn)先進(jìn)設(shè)計思想的關(guān)鍵， 結(jié)構(gòu)工程師的主要任務(wù)就是在特定的建筑空間中用整體的概念來完成結(jié)構(gòu)總體方案的設(shè)計，客觀、真實的理解結(jié)構(gòu)的工作性能，并能夠有意識的處理構(gòu)件與結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系，靈活地運用它們。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段結(jié)構(gòu)設(shè)計并不進(jìn)行參與， 建筑師進(jìn)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(jìn)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

8、的開端。 （2）結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化應(yīng)考慮采用新型結(jié)構(gòu)體系 建筑工業(yè)化是我國建筑業(yè)的發(fā)展方向。 建筑工業(yè)化是在建筑標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上采用先進(jìn)、 適用的技術(shù)、 工藝和裝備，發(fā)展施工專業(yè)化， 提高機(jī)械化水平， 減少繁重、復(fù)雜的手工勞動作業(yè)。在目前建筑工業(yè)化的大背景下，實現(xiàn)建筑工業(yè)化首先應(yīng)從設(shè)計開始，從結(jié)構(gòu)入手，建立新型結(jié)構(gòu)體系，包括鋼結(jié)構(gòu)體系、預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)體系，復(fù)合木結(jié)構(gòu)建筑等。多層建筑應(yīng)由傳統(tǒng)的磚混結(jié)構(gòu)向預(yù)制框架結(jié)構(gòu)發(fā)展，高層及小高層建筑應(yīng)由框架向剪力墻或鋼結(jié)構(gòu)方向發(fā)展。要使大部分建筑構(gòu)件實行工廠化作業(yè)，減少施工現(xiàn)場作業(yè)。 （3）概念設(shè)計結(jié)合細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化 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

9、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(jìn)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(dá)到最佳的效果。與宏觀把握相對應(yīng)的，設(shè)計的過程同時要注意對于細(xì)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。在做結(jié)構(gòu)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(dá)到既安全又經(jīng)濟(jì)的目的。 （4）下部地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化 地

10、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(jìn)行比較以確定最合適的方案。設(shè)計時應(yīng)重視地質(zhì)勘察報告的交底工作，選擇合理的基礎(chǔ)型式，選擇經(jīng)濟(jì)適用的方案能大大降低造價。 三、結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的現(xiàn)實意義 （1）結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提高材料利用率 對我國這樣一個發(fā)展中國家， 結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的即是花最少的錢做最好的建筑。 從優(yōu)化設(shè)計的角度， 結(jié)構(gòu)性能最好的方案不一定材料利用率最高， 這就要求設(shè)計時對結(jié)構(gòu)材料的充分利用，同時也強(qiáng)調(diào)使用各種新型建筑材料，如預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)、鋼-混凝土結(jié)構(gòu)等。其中鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是將混凝

11、土填入薄壁圓形鋼管內(nèi)而形成的一種新型結(jié)構(gòu)， 它將兩種材料有機(jī)地結(jié)合，可借助內(nèi)填混凝土增強(qiáng)鋼管壁的穩(wěn)定性，借助鋼管對核心混凝土的套箍作用，使核心混凝土處于三向受壓狀態(tài)， 從而具有更高的抗壓強(qiáng)度和抗變形能力。 它的出現(xiàn)使傳統(tǒng)意義上的受壓破壞特征由脆性變?yōu)檠有裕?對結(jié)構(gòu)抗震的延性設(shè)計意義巨大， 也使超高層建筑底層柱的軸壓比限制問題迎刃而解。 鋼管混凝土與鋼結(jié)構(gòu)相比， 在自重相近和承載力相同條件下，可節(jié)約鋼材近 50%，并節(jié)約大量的焊接工作量。與普通混凝土相比，在保持鋼材用量相近和承載力相同條件下，構(gòu)件截面面積可減少約 50%，材料用量和構(gòu)件自重相應(yīng)減少約 50%。實踐證明在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，使用這些新工藝

12、設(shè)備可大大提高材料利用率，降低工程造價。 （2）進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化提高建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性 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，有利于抗震，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(qiáng)了建筑的經(jīng)濟(jì)性能。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)。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(jì)、美觀和便于施工五種效果，而建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(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(jì)、合理，成為實際意義上的“經(jīng)濟(jì)適用”房。 參考文獻(xiàn) 1談建筑結(jié)構(gòu)