關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法論文
摘要：
介紹了概念設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，從結(jié)構(gòu)布置、構(gòu)件截面、地基基礎(chǔ)、構(gòu)造措施等方面，闡述了建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案，旨在充分發(fā)揮各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的功能，使建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合相關(guān)規(guī)范要求。
關(guān)鍵詞：
建筑結(jié)構(gòu)，概念設(shè)計(jì)，地基基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)布置
引言
建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法以及原理有兩類：一類是數(shù)學(xué)規(guī)劃法，借助于極值原理的概念，將相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，找出最優(yōu)參數(shù)；另一類是準(zhǔn)則法，從結(jié)構(gòu)力學(xué)的角度進(jìn)行優(yōu)化。兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中數(shù)學(xué)規(guī)劃法有嚴(yán)格的理論依據(jù)作為設(shè)計(jì)的支撐，適應(yīng)性比較好；缺點(diǎn)是求解速度比較慢，而且由于嚴(yán)格理論的存在求解會(huì)受到一部分限制。而準(zhǔn)則法的優(yōu)點(diǎn)是優(yōu)化時(shí)間相對(duì)較短，不影響重新分析的次數(shù)以及不涉及變量參數(shù)數(shù)量的變化，優(yōu)化次數(shù)為10次左右就可以滿足結(jié)構(gòu)優(yōu)化的任務(wù)；缺點(diǎn)是沒有嚴(yán)格的理論依據(jù)作為支撐，因此在實(shí)際中，一般認(rèn)為是最接近理想狀態(tài)的優(yōu)化結(jié)果，但不是真正的最佳結(jié)果。在國(guó)內(nèi)外對(duì)于準(zhǔn)則法的不斷優(yōu)化中，逐漸對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，目前可以優(yōu)化的結(jié)構(gòu)問(wèn)題中，變量的數(shù)量可高達(dá)上百萬(wàn)個(gè)，優(yōu)化的范圍比較廣泛。兩種方法不斷發(fā)展，互相彌補(bǔ)缺點(diǎn)形成一種新的方法，就是逼近概念法，結(jié)合了準(zhǔn)則以及數(shù)學(xué)規(guī)劃法，一方面有嚴(yán)格理論作為優(yōu)化的基礎(chǔ)，同時(shí)還具有不斷逼近的功能，從而進(jìn)行簡(jiǎn)化優(yōu)化，然后用迭代法進(jìn)行求解，最終得到優(yōu)化解，達(dá)到結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的。截面優(yōu)化問(wèn)題中桁架的問(wèn)題就使用該方法，設(shè)計(jì)變量取為桁架截面面積的倒數(shù)，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。數(shù)學(xué)規(guī)劃由于存在理論基礎(chǔ)，可以與有限元軟件進(jìn)行結(jié)合求解，使得數(shù)學(xué)規(guī)劃法的應(yīng)用更為流行，隨著結(jié)構(gòu)優(yōu)化的不斷發(fā)展以及應(yīng)用過(guò)程中存在的問(wèn)題，已經(jīng)不再是最初只能滿足簡(jiǎn)單要求的優(yōu)化法，現(xiàn)在說(shuō)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化是需要在系統(tǒng)上的優(yōu)化及多目標(biāo)優(yōu)化、高層次的優(yōu)化。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工作很復(fù)雜，最基本的兩項(xiàng)任務(wù)是設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)的功能，以及實(shí)現(xiàn)功能后結(jié)構(gòu)的可靠性以及安全性問(wèn)題，另一項(xiàng)工作是在設(shè)計(jì)的時(shí)候考慮工程的造價(jià)問(wèn)題，滿足結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)功能指標(biāo)的同時(shí)費(fèi)用的控制也是很重要的。
1、概念優(yōu)化設(shè)計(jì)
建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用提供了方便性，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的高度逐漸上升，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員對(duì)于繁復(fù)的計(jì)算工作不再進(jìn)行手算，通過(guò)輸入計(jì)算機(jī)中，經(jīng)過(guò)有效地計(jì)算得出相應(yīng)的結(jié)果。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員需要做的就是扎實(shí)的理論依據(jù)，以及豐富自己的經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)放在一些傳統(tǒng)問(wèn)題中比較棘手而且難以解決的問(wèn)題，通過(guò)自己的分析以及經(jīng)驗(yàn)對(duì)于問(wèn)題得到更加合理的答案，從而使得設(shè)計(jì)方案更加的適用、合理以及經(jīng)濟(jì)，因此設(shè)計(jì)者的時(shí)間大多放在概念設(shè)計(jì)上。概念設(shè)計(jì)的一整套流程就是設(shè)計(jì)人員首先從最初關(guān)于結(jié)構(gòu)的信息（選型、布置、分析以及計(jì)算）等方面著手，然后解決遇到的問(wèn)題，根據(jù)不同工作的規(guī)律以及流程，結(jié)合相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)以及因素，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行解決、分析以及處理，最終確定合理的方案。建筑設(shè)計(jì)方案一般結(jié)構(gòu)布置方式有很多種，因此確定結(jié)構(gòu)的布置方式是首要任務(wù)，一旦確定了結(jié)構(gòu)的布置方式，接下來(lái)考慮的是受力荷載分析，荷載的分布以及受力同樣需要進(jìn)行選取以及確定；然后是建筑物關(guān)于細(xì)部的處理。在應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理的時(shí)候，上述工作是無(wú)法通過(guò)計(jì)算機(jī)單獨(dú)完成的，需要設(shè)計(jì)人員的協(xié)助以及確認(rèn)，根據(jù)自己在設(shè)計(jì)領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)以及經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷。這些判斷不依賴于計(jì)算機(jī)，靠的就是工程設(shè)計(jì)人員的理論基礎(chǔ)以及經(jīng)驗(yàn)，即所謂的概念設(shè)計(jì)。概念設(shè)計(jì)中會(huì)出現(xiàn)很多問(wèn)題需要解決，然后考慮在建筑物投入運(yùn)行中可能受到的各種不利因素以及破壞力，這些都是概念設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中要重視概念設(shè)計(jì)。
2、結(jié)構(gòu)布置的概念設(shè)計(jì)
結(jié)構(gòu)布置涉及受力，因此要從全局出發(fā)，綜合抗震設(shè)計(jì)的基本原則，對(duì)于不必要的內(nèi)耗問(wèn)題要盡可能地降低，對(duì)于結(jié)構(gòu)的剛度突變和扭轉(zhuǎn)效應(yīng)盡可能的減小，讓構(gòu)件的功能盡可能的充分發(fā)揮，盡其所能。在跟建筑師交底的基礎(chǔ)上，對(duì)建筑物整體結(jié)構(gòu)的布置和選型要充分考慮后再做決定。建筑師的要求是滿足外觀上的獨(dú)特，以表達(dá)他的思維以及藝術(shù)的品味和判斷，而對(duì)于結(jié)構(gòu)工程師來(lái)說(shuō)結(jié)構(gòu)受力安全可靠才是最重要的，但是同時(shí)滿足建筑師的要求，設(shè)計(jì)新的結(jié)構(gòu)受力形式使得建筑師的設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)。結(jié)構(gòu)上一般對(duì)于簡(jiǎn)單的低層以及多層結(jié)構(gòu)都是很容易滿足的，其受力并不復(fù)雜，但是對(duì)于高層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，在建筑師表達(dá)自己的想法時(shí)，會(huì)出現(xiàn)與結(jié)構(gòu)工程師脫節(jié)的情況，因此在與建筑師交底的過(guò)程中，結(jié)構(gòu)師應(yīng)該介入荷載的平面布置以及豎向布置，使得兩者的要求皆可滿足。建筑設(shè)計(jì)方案的完成標(biāo)志著下一項(xiàng)工作的開始，結(jié)構(gòu)方案的選擇，每個(gè)構(gòu)件都需要考慮受力，其中包括可預(yù)見的受力情況以及不可預(yù)見的受力情況。豎向構(gòu)件的受力包括豎向荷載的傳遞以及風(fēng)和地震荷載的作用，隨著氣溫的變化，還會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力，因此對(duì)于豎向構(gòu)置的部件，其位置要有利于溫度應(yīng)力以及水平荷載的承受。水平承重構(gòu)件的布置同樣要考慮一系列因素，首先要傳力路徑簡(jiǎn)單明了，荷載的傳遞要迅速，即采取最方便快捷的方式進(jìn)行，最后傳遞到基礎(chǔ)或者地基上，不合理的結(jié)構(gòu)布置，會(huì)使得力的傳遞經(jīng)過(guò)多層次，將原本簡(jiǎn)單的受力變復(fù)雜，最后傳遞到基礎(chǔ)上去。然后是結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸大小的確定，一般先按照經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選取，具體的大小根據(jù)相關(guān)的理論進(jìn)行選擇。
3、構(gòu)件截面的概念設(shè)計(jì)
構(gòu)件截面的設(shè)計(jì)，通過(guò)截面控制內(nèi)力對(duì)構(gòu)件進(jìn)行正、斜截面的計(jì)算，然后進(jìn)行配筋處理，概念設(shè)計(jì)在此處的應(yīng)用最廣而且也最重要，得出鋼筋量后，鋼筋的配筋方式也是很多種，不同構(gòu)件以及同一構(gòu)件的不同位置也是不同的，綜合考慮各種因素后進(jìn)行確定。
4、地基基礎(chǔ)的概念設(shè)計(jì)
對(duì)于地基來(lái)說(shuō)不確定因素很多，其中地基土就是一個(gè)，不同地區(qū)存在較大差異，而且目前為止，沒有確定的模型供選擇進(jìn)行模擬計(jì)算，這同樣需要設(shè)計(jì)人員的理論基礎(chǔ)以及經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定，對(duì)可能出現(xiàn)的問(wèn)題以及因素進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，之后對(duì)應(yīng)對(duì)方案進(jìn)行選取，找出最佳方案。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最常用的方法就是獨(dú)立計(jì)算，將地基、基礎(chǔ)以及上部結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行力學(xué)計(jì)算和分析，這種計(jì)算方法的缺點(diǎn)就是跟實(shí)際脫離比較大，其實(shí)緣由很容易解釋，就是在進(jìn)行力學(xué)性能計(jì)算的時(shí)候，整個(gè)結(jié)構(gòu)是連帶關(guān)系，上部結(jié)構(gòu)的受力必然會(huì)影響下部結(jié)構(gòu)的受力，但是理論計(jì)算的時(shí)候的相分離策略忽略了這一點(diǎn)，造成了較大的數(shù)值差距。這就要求設(shè)計(jì)人員具備扎實(shí)的理論依據(jù)，構(gòu)件之間的受力聯(lián)系以及荷載的傳遞有較高深的理論依據(jù)，綜合各項(xiàng)因素，各個(gè)角度得出最佳方案。
5、構(gòu)造措施的概念設(shè)計(jì)
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完全依靠理論得出的設(shè)計(jì)方案在實(shí)際中存在較多問(wèn)題，甚至對(duì)于荷載的承受能力不足，不能滿足耐久性以及可靠性要求，特別是發(fā)生地震等非常見的荷載作用，結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生較大的破壞，完全失去承載能力，為了防止此類事件的發(fā)生，一般會(huì)進(jìn)行構(gòu)造措施的設(shè)計(jì)。有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員提出的解決方案就是使用一部分對(duì)抗震有利的構(gòu)件，提高結(jié)構(gòu)的整體性以及延性。
6、結(jié)語(yǔ)
概念設(shè)計(jì)的內(nèi)容包含太多，而且需要設(shè)計(jì)人員從主觀層面上進(jìn)行各種理論的分析以及計(jì)算，合理的方案才能形成。通俗說(shuō)法就是設(shè)計(jì)人員根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)以及相關(guān)的理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)從而確定最佳方案。對(duì)于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的深度性以及優(yōu)化的正確性完全依據(jù)設(shè)計(jì)人員的專業(yè)素養(yǎng)，尤其是解決實(shí)際問(wèn)題的能力，更是依靠從事設(shè)計(jì)工作設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的累積程度。
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