建筑結構優(yōu)化設計

[工程技術(shù)] Engineering and Technology2013 .10下總第440期建筑結構優(yōu)化設計楊媛媛'劉哲2(1.天津市新型建材建筑設計研究院，天津30002; 2.天津昆侖兆業(yè)投資有限公司，天津30002)摘要:在工業(yè)以及民用建筑中，對于建筑結構的優(yōu)化設計一直是建筑師和結構師共同追求的目標，建筑師和結構師在從事建筑、工程項目設計時(shí)，總是希望通過(guò)現有技術(shù)手段，在滿(mǎn)足一定客觀(guān)條件和使用要求的同時(shí)，達到經(jīng)濟、安全、美觀(guān)、符合使用要求的最佳方案關(guān)鍵詞:結構設計;優(yōu)化設計;數學(xué)模型;優(yōu)化措施;優(yōu)化計算中圖分類(lèi)號: TB482.2文獻標志碼: A文章編號: 1000-8772 (2013) 29-0209-02一、概述在選擇變量時(shí)，挑選的都是那些對于整體結構設計起到主要影響的參數,例如結構的總造價(jià)、結構損失期望值、結對于工民建工程項目的優(yōu)化問(wèn)題，能夠使方案達到最佳構的可靠度等，而其他- -些對 于結構整體設計而言，其自身的的一系列數學(xué)方法稱(chēng)為最佳優(yōu)化方法，當這些優(yōu)化方法應用變化范圍不大, 或者在局部設計中可以滿(mǎn)足要求的參數就不作到工程實(shí)際中去的時(shí)候就稱(chēng)為優(yōu)化技術(shù)。建筑結構的優(yōu)化設為設計變量。 從眾多變量中篩選出起到主要作用的參數，就可計一般而言會(huì )分成狹義和廣義兩個(gè)方向。從狹義上來(lái)說(shuō)，優(yōu)以大幅度降低設計、 計算和編制計算機程序時(shí)的工作量?；O計就是鋼筋抽取問(wèn)題，但是如果僅僅是在結構設計過(guò)程2.選出目標函數中將鋼筋抽掉，這樣做只是降低了整體結構的安全儲備，并在所有函數序列中找到--組可以同時(shí)滿(mǎn)足構件的截面尺沒(méi)有達到想要的優(yōu)化設計目的，也就是說(shuō)這并不科學(xué)。而另寸、鋼筋的配筋率等構件設計要求的數值，該組數值要能滿(mǎn)一個(gè)方向從廣義上講，結構優(yōu)化設計就不僅包含對于結構設足造價(jià)方面的要求，力求達到造價(jià)最低的目的。計本身的一一種不必要冗雜配筋的去除，還包括建筑的其他各3.確定計算的約束條件個(gè)方面，比如舒適性、建筑容積率、建筑空間利用效率、建基于結構可靠度要求的設計約束條件，包括構件尺寸的筑節能性等各個(gè)方面。約束、結構強度的約束、應力約束、變形約束、裂縫寬度約結構設計的最優(yōu)化問(wèn)題其實(shí)- - 直伴隨著(zhù)建筑史的發(fā)展而發(fā)束、構件單元約束、結構體系約束、從正常使用極限狀態(tài)下展，進(jìn)入現代社會(huì )之后，開(kāi)始利用數學(xué)概念對建筑結構進(jìn)行優(yōu)的彈性 約束到最終極限狀態(tài)的彈塑性約束、從可靠性指標約。結構設計的近代優(yōu)化設計大體上可以分為三個(gè)階段。束到確定性指標約束等。在建筑工程結構設計中，想要將結， 將整個(gè)建筑工程建立成- -個(gè)數學(xué)模型。構最優(yōu)化設計的結果應用到實(shí)際結構設計中，就需要對建筑第二，通過(guò)尋找一個(gè)合理高效的數學(xué)計算方法對建筑結工程實(shí)際的約束條件和計算過(guò)程中所采用的目標約束條件相構進(jìn)行優(yōu)化設計。比較，保證各個(gè)約束條件滿(mǎn)足現行國家規范要求，從而為實(shí)第三，利用計算機軟件編程技術(shù)，編制出一套符合客觀(guān)現最優(yōu)化設計提供可 能。實(shí)際的計算程序，對整個(gè)結構進(jìn)行全數字化處理。(二)優(yōu)化設計計算方案的確定但是，做結構設計的人一-定要注意，利用這些數學(xué)方建筑工程的可靠度優(yōu)化問(wèn)題是一個(gè)復雜、 影響因素多、法，一定會(huì )給出一個(gè)在已知且給定條件下的最優(yōu)解，與此同約束條件不唯-一、 約束復雜、非線(xiàn)性的問(wèn)題。在實(shí)際計算過(guò)時(shí)需要注意的是，通過(guò)數學(xué)方法計算出的這個(gè)結果是不是最程中， -般是將這種有約束條件的問(wèn)題轉化成-一個(gè)沒(méi) 有約束符合工程條件的可得解。因為建筑工程的結構設計是一項非條件的問(wèn)題 進(jìn)行計算，完成之后再通過(guò)利用公式計算，達到常復雜的內容，它包括在一-定經(jīng)濟條件下，要滿(mǎn)足建筑的安有約束 條件下的可靠度結果。全、美觀(guān)、使用要求、節能要求等。在利用數學(xué)方法進(jìn)行解(三)計算程序的設計析計算時(shí)，往往是會(huì )考慮其中的一些起到主要作用的因素,這個(gè)步驟就需要專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行，對于這項工作，從業(yè)人.而忽略掉--些客觀(guān)因索的影響，如若放到真正結構設計中,員一定要是懂得基本結構設計原則，同時(shí)對于計算機編程也就要通過(guò)自己的分析,將這些客觀(guān)因素融人到設計中。也就有一定研究。在優(yōu)化結構數字模型和確定優(yōu)化設計計算方案是說(shuō)，在利用數學(xué)方法結算得出最優(yōu)解時(shí)，還要根據自己的基礎之 上，利用計算機編制出一套可以用來(lái)計算在各種約束全面判斷，對其進(jìn)行- -些必要的修改。條件綜合作用下建筑優(yōu)化設計的程序。二、結構優(yōu)化設計步驟根據第三步計算程序所得的成果進(jìn)行深人分析，選出最合適的結果，從而確定出最優(yōu)化的設計方案。(一)優(yōu)化結構數字模型一般而言，工民建結構設計的整體優(yōu)化方案可以按照以三、對建筑工程結構進(jìn)行優(yōu)化設計的現實(shí)意義下幾個(gè)步驟展開(kāi)。1.選擇設計變量建筑結構的設計從始至終都在追尋一一個(gè)目標: 用最少收稿日期: 2013-10-13中國煤化工作者簡(jiǎn)介:楊媛媛(1985-)，女，天津人，本科，結構工程師。研究方向:結構設計HCNMH G .09 CHINESE & FORE 1GN ENTREPRENEURSEngineering and Technology [工程技術(shù)]2013 .10下總第440期的費用建造出最符合業(yè)主要求的建筑物。對建筑工程進(jìn)行優(yōu)四、總結語(yǔ)化設計的方法恰恰是為這個(gè)目的提供了- -個(gè)有力條件，為這一目標提供了無(wú)限可能。數字化模型、現代數學(xué)的引人都為總而言之，針對建筑工程的結構優(yōu)化設計方法研究不結構優(yōu)化設計提供助力。通過(guò)現代方法對建筑結構工程進(jìn)行是--個(gè)簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單利用數學(xué)方法進(jìn)行分析建筑最優(yōu)解的問(wèn)題，優(yōu)化設計，不僅能夠實(shí)現建筑師所要求建筑物的美觀(guān)、實(shí)用而是--個(gè)涉及到很多學(xué)科，非常復雜的綜合決策性問(wèn)題。進(jìn)性、節能性，還在業(yè)主所希望的節約成本、降低造價(jià)方面有行建筑工程設計的一般原則是:適用、安全、經(jīng)濟、美觀(guān)、著(zhù)很好的作用。便于施工，這幾個(gè)方面既相互聯(lián)系又相互制約，如果側重某對于建筑工程的優(yōu)化設計，節約目標成本是一一個(gè)重要目-個(gè)方面就必定會(huì )犧牲掉另外- -方面，這就是矛盾所在，不的，這一目的的達成,既滿(mǎn)足了業(yè)主的要求，又能體現出建可能所有方面都能夠照顧得很周全。這就要求建筑結構工程筑師和設計師的水平，這是推動(dòng)結構優(yōu)化技術(shù)不斷發(fā)展的社師對整個(gè)工程要挑選出-一個(gè)最合適的結果，利用建筑工程優(yōu)會(huì )動(dòng)力。當然，在節約成本的同時(shí)，一定要滿(mǎn)足結構中最重化方法;還需要建筑結構設計的從業(yè)人員在以后的實(shí)踐過(guò)程要的安全可靠性，就像前面所提到的，通過(guò)數學(xué)方法,得到中多多學(xué)習，多多摸索，多多探尋新方法,綜合其他學(xué)科知的可能是最優(yōu)解，但不--定就是最終所需要的結果，還需要識，以最低造價(jià)實(shí)現最佳設計要求，滿(mǎn)足結構的適用性、安對建筑物的其他各個(gè)方面進(jìn)行綜合考量,從而選出-一個(gè)最符全可靠性、美觀(guān)性以及方便施工的目的。合要求的優(yōu)化結果。唯有如此，才能真正做到可持續發(fā)展,實(shí)現更多、更大的市場(chǎng)利益。參考文獻:通過(guò)這些年的實(shí)際工程應用發(fā)現，與傳統的不經(jīng)過(guò)結構[1 ]張炳華.土建結構優(yōu)化設計[M].上海:同濟大學(xué)出版社,2008.優(yōu)化設計的建筑工程項目相比，利用結構優(yōu)化方法進(jìn)行優(yōu)化[2]馮泳 高層住宅墻體的合理等效慣性矩[J]建筑結構,1998.后的建筑方案，在工程的總造價(jià)方面，-般會(huì )有5%~35%的[3]蔣啟平.工程結構優(yōu)化設計的新方法[].工業(yè)建筑，2008:15-降低，這一點(diǎn)對于整個(gè)建筑行業(yè)而言都是不容小覷的事實(shí)。優(yōu)化設計的好處不僅僅表現在這一一個(gè)方面， 在施工技術(shù)方面[4]汪樹(shù) 玉結構優(yōu)化設計的現狀與進(jìn)展[)].基建優(yōu)化2007:12-也有著(zhù)不俗的表現。優(yōu)化方法的技術(shù)性實(shí)現，能夠對建筑工程中的材料性能進(jìn)行充分而又合理地利用，在可靠的安全[5吳學(xué)敏. 鋼筋混凝土結構抗震設計中-一些問(wèn)題的探討小建筑度范圍內協(xié)調好建筑物內部各單元之間的結構關(guān)系。與此同結構,1998.時(shí)，針對建筑工程的優(yōu)化設計，它還可為建筑整體性方案設[6]顧渭建 ,邱鴻高層剪力墻結構墻體間距方案比較研究[J].建計進(jìn)行合理決策。優(yōu)化技術(shù)是實(shí)現建筑設計的適用、經(jīng)濟和筑結構,1998.安全目標的有效途徑。(責任編輯: 劉圓)(_ 上接第208頁(yè)) 始人。其代表性作品就是德國展覽館，其設建 筑曾經(jīng)- - 度沉陷于具有千篇一律特點(diǎn)的國際式建筑中,計中追求的是對材料的紋理顏色和質(zhì)感的做工精美和真實(shí)表到處都是采用玻璃和鋼構成的火柴盒式造型，喪失了建筑設現。這種對玻璃和鋼兩種材料的交替運用，被世人譽(yù)為“密計的室內空間和建筑個(gè)性。這種漠視人類(lèi)情感、不顧文化環(huán)斯風(fēng)格”境、迷信技術(shù)以及割裂歷史的國際式建筑遭到人們指責，促2.表現主義建筑的應用與發(fā)展使各國建筑師都在努力嘗試打破這一種建筑模式，使得現代從二十世紀初，設計師們對表現主義的建筑就開(kāi)始不斷建筑的發(fā)展呈現多元化格局。探索。首先，最具代表性的是門(mén)德?tīng)査?，其建筑設計主要是對弧線(xiàn)和曲線(xiàn)的運用，從而在動(dòng)勢和塊體的幾何中尋求一- 種四、結束語(yǔ)關(guān)于生命力的表達。而最具代表性的就是法國的公議局以及德國的愛(ài)因斯坦天文臺。其次，德國著(zhù)名建筑師夏隆，其設關(guān)于現代主義建筑中的有機建筑和表現主義建筑都具有計出舉世聞名的柏林愛(ài)樂(lè )音樂(lè )廳，它很好地體現了表現主義源遠流長(cháng)的歷史，在建筑設計中得到廣泛運用。而面對現今思想，在平面規劃上不再進(jìn)行方正分割，而是隨著(zhù)基地的條建筑設計多元化的格局，必須要結合城市的實(shí)際情況，通過(guò)件進(jìn)行延伸，表現出-一種流動(dòng)性的空間感。再者,勒.柯布西綜合性分析，提高建筑設計水平，使居民對建筑的需要能夠埃所設計的薩伏伊別墅也很好地體現了表現主義特點(diǎn):一是很好地得到滿(mǎn)足。自由立面;二是在建筑立面上對窗戶(hù)進(jìn)行橫向開(kāi)設;三是對鋼筋混凝土形成的平面進(jìn)行自由布局;四是在屋頂上設置花參考 文獻:園;五是底層通過(guò)獨立立柱進(jìn)行部分或全部騰空。其晚年為[1]遲曉軍,姚璐實(shí)現平易建筑的設計方法[].黑龍江科技信法國設計的朗香教堂，更是塑造怪異卻讓人難以忘懷的一一個(gè)息，2009 (24 )建筑形象，使其成為- -大經(jīng) 典旅游之地。[2]姚璐，遲曉軍.視錯覺(jué)在建筑設計中的應用]黑龍江科技信息2009 (25)三、現代主義建筑的發(fā)展趨勢[3]遲曉軍,劉雅琴周麗艷語(yǔ)氣詞在命令式句子中的修辭色彩.[J].內蒙古民族大學(xué)學(xué)報(社會(huì )科學(xué)版) ,2003 (3).現代主義建筑強調的是建筑的功能以及新工藝、新結構[4]遲曉軍,劉雅琴.古詩(shī)分析指導[J].昭烏達蒙族師專(zhuān)學(xué)報,和新材料的運用，其審美體驗主要以簡(jiǎn)潔美和抽象美為主，2003 (2).走一條切合工業(yè)時(shí)代發(fā)展的設計之路。然而，由于工業(yè)時(shí)代強調批量化、標準化以及效率等特點(diǎn)，導致二戰以后的現代(責任編輯:劉圓)中國煤化工MHCNMHGCHINESE 。FORE ICN ENTREPRENEURS 21