優(yōu)化設計方法在房屋結構設計的應用

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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，在結構設計過程中應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。文章總結多年結構設計經(jīng)驗，從實踐角度出發(fā)探究建筑結構設計優(yōu)化方法。

關鍵詞:房屋；結構設計；優(yōu)化方法

0前言

實用性與安全性是房屋結構設計的基礎，而隨著建筑技術的發(fā)展，現(xiàn)代建筑結構設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，能夠按期的保質保量的將藍圖變成實物。因此，在結構設計過程中，必須對房屋結構設計進行優(yōu)化，從而實現(xiàn)以上要求。筆者結合多年的工作經(jīng)驗，總結房屋結構設計優(yōu)化方法，為后續(xù)房屋結構設計優(yōu)化提供借鑒。

1結構設計優(yōu)化方法理論體現(xiàn)

結構設計優(yōu)化主要是考慮房屋結構安全、實用基礎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，將不同的結構設計方案進行對比分析，選擇最優(yōu)方案作為最終的設計方案，從而實現(xiàn)預期目標[1]。從結構設計優(yōu)化理論角度出發(fā)，房屋結構設計優(yōu)化可以分為分部工程結構優(yōu)化以及總體方案優(yōu)化兩個方面內容?？傮w方案優(yōu)化主要是對房屋的屋蓋系統(tǒng)、圍護結構、結構細部構造進行有針對性的優(yōu)化設計。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是否能夠滿足該設計要求、房屋建筑是否經(jīng)濟，全方位、多角度的對房屋結構設計進行優(yōu)化。隨著設計理念的不斷更新、建筑技術、建筑材料的不斷更新，在結構設計優(yōu)化過程中也應該不斷地進行創(chuàng)新設計。結構設計人員應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上實現(xiàn)結構形式的創(chuàng)新。在房屋結構設計過程中，設計人員應該盡可能縮小剛度中心以及質量中心的差異，所設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)濟性能以及降低結構設計的難度，在設計過程中應該減少轉換層的設計。垂直方向剛度方面，結構設計優(yōu)化中也需要重點關注，在剛度上應該形成逐漸變化而非突變的形式，突變會使突變部位應力集中，致使結構產生薄弱部位。

2結構設計優(yōu)化的意義

房屋建筑結構設計優(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，這也是對結構設計優(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)的房屋結構設計相比，運用結構設計優(yōu)化技術能夠有效地降低工程造價6%~35%[3]。通過優(yōu)化后的房屋結構設計可以使得每個部分相互協(xié)調，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結構設計優(yōu)化技術應用步驟

3.1建立優(yōu)化模型

對房屋整體結構進行優(yōu)化時，通常情況下采用以下三個步驟完成:1）選擇合理的設計變量。結構設計優(yōu)化人員應該重點選擇對房屋結構影響較大的參數(shù)作為設計的變量。例如約束控制的參數(shù)、目標控制的參數(shù)，具有包括結構可靠度、工程造價、損失期望值等指標。在結構優(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,設計人員可以事先預定參數(shù)進行設計，這樣設計人員在計算、設計、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，設計人員需要設定能夠符合預定條件的鋼筋截面積、構件幾何尺寸以及其對應的失效概率，從而使得成本控制最優(yōu)化。3）確定約束條件。房屋結構的安全性與可靠性是房屋結構設計的基礎，是優(yōu)化的前提條件。因此在函數(shù)設定的過程中,必須設定相應的約束條件。房屋結構設計優(yōu)化的約束條件通常包含以下幾個方面內容:尺寸約束、裂縫寬度約束、構件單元約束、結構強度約束、應力約束、可靠指標約束、結構體系約束、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，確保所設定的約束條件能夠滿足實際工程需求。

3.2方案設定、程序設計與結果分析

以可靠度為基礎的房屋結構設計優(yōu)化具有非線性以及多條件、變量復雜的特點，在優(yōu)化結構計算的過程中，通常情況下將具有約束性的優(yōu)化轉化成為無約束性的優(yōu)化函數(shù)進行計算。目前，我國結構設計優(yōu)化中常用的計算方法有:復合形法、拉氏乘子法、Powell法等。隨著計算技術不斷應用于設計領域，將基于可靠度進行的房屋結構設計優(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的程序，從而提高優(yōu)化設計的運算速度以及滿足結構優(yōu)化的各項功能需求。在選定優(yōu)化計算方法、建立相應的優(yōu)化模型與優(yōu)化程序的基礎上，對結構設計進行優(yōu)化。設計人員通過所編制的程序對方案進行處理后，必須對程序運行的結果進行比較分析,選擇最佳的優(yōu)化方案。在結果分析的過程中，結構優(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)化方案結果分析對結構設計優(yōu)化及其關鍵，對結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，降低建設投資。在優(yōu)化過程中只考慮經(jīng)濟效益，忽略對技術方面的考慮是不正確的，在優(yōu)化的過程中應該將兩者相互統(tǒng)一，形成有機整體進行綜合優(yōu)化。

4結語

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

參考文獻:

[1]周宏偉.芻議房屋結構設計中建筑結構設計優(yōu)化方法的應用[J].四川水泥,2014(12):283+286.

[2]張明,劉文斌,李闖,聶宏.優(yōu)化驅動的起落架結構設計方法[J].航空學報,2015,36(3):857-864.

[3]何冬霞.建筑結構設計優(yōu)化方法在房屋結構設計中的實際應用[J].中華民居(下旬刊),2013(10):18-19.

作者:許志鵬 單位:湖北建藝風工程設計有限公司