優(yōu)化設(shè)計方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計的應(yīng)用

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摘要:隨著社會經(jīng)濟水平的不斷提升，人們對于房屋的要求也不斷提高。起初房屋是提供人類居住活動的空間，隨著技術(shù)的進步，房屋不僅需要具有使用功能，更需要便于施工，具有安全、可靠、美觀、經(jīng)濟、實用的特點。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中應(yīng)該充分考慮房屋的這些功能要求，充分利用有限的空間，提升住戶的體驗感。文章總結(jié)多年結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗，從實踐角度出發(fā)探究建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法。

關(guān)鍵詞:房屋；結(jié)構(gòu)設(shè)計；優(yōu)化方法

0前言

實用性與安全性是房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)，而隨著建筑技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中不僅需要考慮房屋的安全性與實用性，還需要考慮房屋的美觀性與經(jīng)濟性，同時還要兼顧施工的便利性，能夠按期的保質(zhì)保量的將藍圖變成實物。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，必須對房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計進行優(yōu)化，從而實現(xiàn)以上要求。筆者結(jié)合多年的工作經(jīng)驗，總結(jié)房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法，為后續(xù)房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化提供借鑒。

1結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法理論體現(xiàn)

結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化主要是考慮房屋結(jié)構(gòu)安全、實用基礎(chǔ)上使得其具有一定的美感。這種優(yōu)化方案是通過一定的數(shù)學計算，將不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進行對比分析，選擇最優(yōu)方案作為最終的設(shè)計方案，從而實現(xiàn)預(yù)期目標[1]。從結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化理論角度出發(fā)，房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化可以分為分部工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及總體方案優(yōu)化兩個方面內(nèi)容?？傮w方案優(yōu)化主要是對房屋的屋蓋系統(tǒng)、圍護結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)細部構(gòu)造進行有針對性的優(yōu)化設(shè)計。在優(yōu)化過程中要充分考慮房屋的選型、布置、受力、造價、節(jié)能等方面，還需要綜合考慮實際施工過程中施工技術(shù)是否能夠滿足該設(shè)計要求、房屋建筑是否經(jīng)濟，全方位、多角度的對房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計進行優(yōu)化。隨著設(shè)計理念的不斷更新、建筑技術(shù)、建筑材料的不斷更新，在結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化過程中也應(yīng)該不斷地進行創(chuàng)新設(shè)計。結(jié)構(gòu)設(shè)計人員應(yīng)該時刻更新自己的知識儲備，緊跟時代潮流，在保證房屋安全性的基礎(chǔ)上實現(xiàn)結(jié)構(gòu)形式的創(chuàng)新。在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，設(shè)計人員應(yīng)該盡可能縮小剛度中心以及質(zhì)量中心的差異，所設(shè)計的房屋建筑平面盡量做到規(guī)則以及對稱[2]。同時，加強對房屋受力的分析，保證房屋在水平荷載作用下不會由于力的作用使得房屋出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)的情況，能夠滿足用戶使用功能的情況下，盡可能使得垂直方向上受力構(gòu)件能夠上下貫通。為了能夠提高房屋的經(jīng)濟性能以及降低結(jié)構(gòu)設(shè)計的難度，在設(shè)計過程中應(yīng)該減少轉(zhuǎn)換層的設(shè)計。垂直方向剛度方面，結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化中也需要重點關(guān)注，在剛度上應(yīng)該形成逐漸變化而非突變的形式，突變會使突變部位應(yīng)力集中，致使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生薄弱部位。

2結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的意義

房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化不僅能夠提升建筑的美觀性，充分有效地利用有限的空間，同時可以有效地控制工程造價。對建設(shè)單位來說，所需要得到的是利用較少的投入，能夠獲得最大的效益，并且房屋具有足夠的安全性、可靠性以及科學性，這也是對結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的要求。根據(jù)大量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)的房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計相比，運用結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)能夠有效地降低工程造價6%~35%[3]。通過優(yōu)化后的房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計可以使得每個部分相互協(xié)調(diào)，能夠有效地提高空間的利用率，同時可以根據(jù)房屋的特性選擇合理的建筑材料。在保證房屋安全系數(shù)的同時，能夠提高房屋的實用性與經(jīng)濟性。

3結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用步驟

3.1建立優(yōu)化模型

對房屋整體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化時，通常情況下采用以下三個步驟完成:1）選擇合理的設(shè)計變量。結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化人員應(yīng)該重點選擇對房屋結(jié)構(gòu)影響較大的參數(shù)作為設(shè)計的變量。例如約束控制的參數(shù)、目標控制的參數(shù)，具有包括結(jié)構(gòu)可靠度、工程造價、損失期望值等指標。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，對部分變化幅度不明顯、影響程度不高的參數(shù)或者部分采用特定的參數(shù)就能滿足要求,設(shè)計人員可以事先預(yù)定參數(shù)進行設(shè)計，這樣設(shè)計人員在計算、設(shè)計、編程的過程中可以大大的減少工作量。2）確定目標函數(shù)。在優(yōu)化的過程中，設(shè)計人員需要設(shè)定能夠符合預(yù)定條件的鋼筋截面積、構(gòu)件幾何尺寸以及其對應(yīng)的失效概率，從而使得成本控制最優(yōu)化。3）確定約束條件。房屋結(jié)構(gòu)的安全性與可靠性是房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)，是優(yōu)化的前提條件。因此在函數(shù)設(shè)定的過程中,必須設(shè)定相應(yīng)的約束條件。房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的約束條件通常包含以下幾個方面內(nèi)容:尺寸約束、裂縫寬度約束、構(gòu)件單元約束、結(jié)構(gòu)強度約束、應(yīng)力約束、可靠指標約束、結(jié)構(gòu)體系約束、確定下條件約束、彈塑性約束、極限狀態(tài)約束等。在優(yōu)化過程中，設(shè)計人員必須將實際項目情況的約束條件與假定的約束條件作對比，確保所設(shè)定的約束條件能夠滿足實際工程需求。

3.2方案設(shè)定、程序設(shè)計與結(jié)果分析

以可靠度為基礎(chǔ)的房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化具有非線性以及多條件、變量復雜的特點，在優(yōu)化結(jié)構(gòu)計算的過程中，通常情況下將具有約束性的優(yōu)化轉(zhuǎn)化成為無約束性的優(yōu)化函數(shù)進行計算。目前，我國結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化中常用的計算方法有:復合形法、拉氏乘子法、Powell法等。隨著計算技術(shù)不斷應(yīng)用于設(shè)計領(lǐng)域，將基于可靠度進行的房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方案以及選用的符合工程實際情況的優(yōu)化計算方法運用計算機語言編制相關(guān)的程序，從而提高優(yōu)化設(shè)計的運算速度以及滿足結(jié)構(gòu)優(yōu)化的各項功能需求。在選定優(yōu)化計算方法、建立相應(yīng)的優(yōu)化模型與優(yōu)化程序的基礎(chǔ)上，對結(jié)構(gòu)設(shè)計進行優(yōu)化。設(shè)計人員通過所編制的程序?qū)Ψ桨高M行處理后，必須對程序運行的結(jié)果進行比較分析,選擇最佳的優(yōu)化方案。在結(jié)果分析的過程中，結(jié)構(gòu)優(yōu)化人員必須對各個影響因素進行整體綜合性考慮，多角度、全方位地考慮優(yōu)化方案。優(yōu)化方案結(jié)果分析對結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化及其關(guān)鍵，對結(jié)果進行有效的分析能夠從中選擇安全性、實用性、合理性以及美觀性有效協(xié)同的方案，同時，可以降低建筑施工難度，加快施工進度，降低建設(shè)投資。在優(yōu)化過程中只考慮經(jīng)濟效益，忽略對技術(shù)方面的考慮是不正確的，在優(yōu)化的過程中應(yīng)該將兩者相互統(tǒng)一，形成有機整體進行綜合優(yōu)化。

4結(jié)語

房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)，由于選擇最佳的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案不僅將先進的施工技術(shù)融入到設(shè)計之中，使得建筑更科學，同時能夠有效降低建設(shè)成本，提高房屋的經(jīng)濟性。但是，房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化是一項綜合且復雜的系統(tǒng)性工程，需要設(shè)計人員具有較高的專業(yè)素養(yǎng)，較為豐富的結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗，同時能夠準確地把握當前的新施工技術(shù)、新型建筑材料。筆者結(jié)合多年的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化經(jīng)驗，從優(yōu)化的步驟、方法、程序設(shè)計等方面展開論述，為后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化提供借鑒。

參考文獻:

[1]周宏偉.芻議房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法的應(yīng)用[J].四川水泥,2014(12):283+286.

[2]張明,劉文斌,李闖,聶宏.優(yōu)化驅(qū)動的起落架結(jié)構(gòu)設(shè)計方法[J].航空學報,2015,36(3):857-864.

[3]何冬霞.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中的實際應(yīng)用[J].中華民居(下旬刊),2013(10):18-19.

作者:許志鵬 單位:湖北建藝風工程設(shè)計有限公司