工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論與方法初探

1、<p>　　工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論與方法初探</p><p>　　摘要：通過加強(qiáng)對(duì)工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究工作，讓自身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平不斷提高，能夠設(shè)計(jì)出更合理的工程作品。本文作者結(jié)合多年來的設(shè)計(jì)工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論與方法進(jìn)行了簡(jiǎn)單的探討，具有一定的參考意義。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);優(yōu)化設(shè)計(jì);實(shí)踐 </p><p>　　中圖分類號(hào)：

2、TU318 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A </p><p>　　對(duì)于一個(gè)項(xiàng)目，工程結(jié)構(gòu)總體的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是針對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)、屋蓋系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)體系、基礎(chǔ)形式以及結(jié)構(gòu)細(xì)部等進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)的時(shí)候還必須考慮到相應(yīng)的布置、選型、造價(jià)以及受力等方面的問題，然后根據(jù)工程的實(shí)際情況并結(jié)合建筑物的經(jīng)濟(jì)性要求，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。 為了適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的要求，建筑的結(jié)構(gòu)形式必須不斷的進(jìn)行創(chuàng)新。對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師來說，要在確保建筑

3、結(jié)構(gòu)具有一定的安全保證的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)更合理、更經(jīng)濟(jì)、更能體現(xiàn)創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)形式。 </p><p>　　1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)的現(xiàn)實(shí)意義 </p><p>　　對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行必要的優(yōu)化，在對(duì)于房屋結(jié)構(gòu)相關(guān)的設(shè)計(jì)中的應(yīng)用意義重大，不僅能夠滿足了建筑的實(shí)用與美觀，而且還可以有效地對(duì)工程造價(jià)進(jìn)行控制。對(duì)于建筑商來說，其當(dāng)然希望用最少的投資，而獲得最大的收益，然而又必須對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的科學(xué)性、可靠性以及

4、安全性做出保證，這必然要求對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 </p><p>　　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化和傳統(tǒng)房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行比較我們可以發(fā)現(xiàn)：運(yùn)用設(shè)計(jì)優(yōu)化的技術(shù)能夠降低整個(gè)建筑工程造價(jià)10%～40％。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)能夠使得建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部的每個(gè)單元都得到最佳的協(xié)調(diào)，并可以對(duì)材料的性能進(jìn)行最合理的利用。這樣不僅能夠保證相關(guān)規(guī)定的安全系數(shù)，還能夠?qū)崿F(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性。 </p><p>　　2 結(jié)構(gòu)

5、設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的步驟 </p><p>　　2.1 建立結(jié)構(gòu)優(yōu)化的模型 </p><p>　　在我們對(duì)房屋結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行必要的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)候，可以分成三步進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。下面將對(duì)每一步驟進(jìn)行詳細(xì)的介紹： </p><p>　　2.1.1 要對(duì)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行合理的選擇 </p><p>　　通常在對(duì)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行選擇時(shí)，我們把對(duì)建

6、筑結(jié)構(gòu)影響的主要參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量。如目標(biāo)控制的相關(guān)參數(shù)（損失的期望C2 和結(jié)構(gòu)的造價(jià)C1）和約束控制相關(guān)參數(shù)（結(jié)構(gòu)的可靠度PS）等；然而還有一些影響不是太大，其變化范圍也不是很大或者由局部性以及結(jié)構(gòu)的相關(guān)要求就能夠滿足相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求的一些參數(shù)，我們可以用預(yù)定參數(shù)來表示，這樣能夠使得我們的設(shè)計(jì)量、計(jì)算量以及編制程序的工作量均大大減小。 </p><p>　　2.1.2 對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行確定 </p>&

7、lt;p>　　在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的時(shí)候，我們還必須尋找一組能夠滿足相關(guān)的預(yù)定條件的截面相應(yīng)的幾何尺寸、鋼筋面積以及相應(yīng)的失效概率的函數(shù)，使得工程造價(jià)最少。 針對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)都有條件和相對(duì)的，即為“最滿意解”而不是最優(yōu)解。 </p><p>　　2.1.3 對(duì)約束條件進(jìn)行確定 </p><p>　　對(duì)于房屋的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化來說，必須在確保結(jié)構(gòu)整體可靠的基礎(chǔ)上，對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)相關(guān)的

8、約束條件進(jìn)行相應(yīng)的確定，設(shè)計(jì)優(yōu)化的約束條件主要包括裂縫寬度約束、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度約束、尺寸約束、構(gòu)件單元約束、應(yīng)力約束、結(jié)構(gòu)體系約束、從可靠指標(biāo)約束到確定性約束條件以及從正常使用極限狀態(tài)下的彈性約束到最終極限狀態(tài)的彈塑性約束等約束條件。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候，我們必須對(duì)目標(biāo)約束條件與實(shí)際的約束條件進(jìn)行相應(yīng)的比較與分析，確保每個(gè)約束條件都必須滿足相應(yīng)的要求，化繁為簡(jiǎn)，抓大放小，以實(shí)現(xiàn)最佳的設(shè)計(jì)。 </p><p>　　2.2

9、 對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算方案進(jìn)行設(shè)定 </p><p>　　根據(jù)可靠度進(jìn)行的房屋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有多約束且非線性的優(yōu)化問題以及復(fù)雜的多變量，在進(jìn)行相應(yīng)的分析計(jì)算中，一般把有約束的優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換成無約束優(yōu)化問題的求解。常用的優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算方法有拉格朗日乘子法、復(fù)合形法、準(zhǔn)則法以及Powell（鮑威爾） 法等基于不同理論準(zhǔn)側(cè)的計(jì)算方法。 </p><p>　　2.3 進(jìn)行程序的相關(guān)設(shè)計(jì) </p&

10、gt;<p>　　針對(duì)具體的工程設(shè)計(jì)，我們可以根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求選擇有限元分析軟件或者設(shè)計(jì)配筋軟件，可以選擇針對(duì)具體構(gòu)件進(jìn)行有限元分析或者是針對(duì)整體結(jié)構(gòu)實(shí)際工程計(jì)算分析。針對(duì)復(fù)雜的超高超限的工程可以進(jìn)行專門的不同目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體可選用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)MCADS。 </p><p><b>　　2.3 結(jié)果分析 </b></p><p>　　我們必

11、須對(duì)相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行必要的分析比較，選擇出最佳的設(shè)計(jì)方案。在這個(gè)過程中，我們對(duì)出現(xiàn)的問題必須全方位、多角度的考慮。例如，鋼結(jié)構(gòu)滿應(yīng)力設(shè)計(jì)中病態(tài)桿的出現(xiàn)等。這一步驟在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化中尤其重要，合理的選擇設(shè)計(jì)方案，不僅能夠確保結(jié)構(gòu)的美觀、安全性、合理性以及實(shí)用性，還能夠?qū)κ┕ぶ械馁Y金的投入有著重大的影響。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化中只強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)性要求，而忽略技術(shù)要求，是不正確的；同樣只考慮技術(shù)要求，忽略經(jīng)濟(jì)性要求，也是不合理的。我們必須在滿足現(xiàn)行規(guī)范

12、的前提下，區(qū)分“應(yīng)”和“宜”，對(duì)兩者進(jìn)行合理的配置，才能達(dá)到相關(guān)要求。 </p><p>　　3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用 </p><p>　　當(dāng)下，限額設(shè)計(jì)已經(jīng)成為常態(tài)，建設(shè)商經(jīng)常附加各種各樣的設(shè)計(jì)條件，對(duì)于這樣的項(xiàng)目我們可以從前期設(shè)計(jì)、整體設(shè)計(jì)、舊房改造以及抗震設(shè)計(jì)等方面采用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法來節(jié)約造價(jià)。下面對(duì)實(shí)踐應(yīng)用中的問題進(jìn)行簡(jiǎn)單的說明： </p><p

13、>　　3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化應(yīng)注意前期參與 </p><p>　　前期方案直接會(huì)影響到工程的造價(jià)，然而很多建筑物的設(shè)計(jì)往往忽略了這一點(diǎn)。項(xiàng)目立項(xiàng)后，結(jié)構(gòu)師應(yīng)該及時(shí)跟進(jìn)，對(duì)建筑方案提出合理的指導(dǎo)意見，避免出現(xiàn)超限、超規(guī)范的情況，前期參與能夠讓我選擇合理的結(jié)構(gòu)形式以及合理的設(shè)計(jì)方案，節(jié)約造價(jià)占50%以上。 </p><p>　　3.2 概念設(shè)計(jì)結(jié)合細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化 </p>

14、<p>　　在沒有具體數(shù)值量化的情況下，我們可以使用概念設(shè)計(jì)。例如，對(duì)地震的烈度進(jìn)行設(shè)防時(shí)，由于它存在這不確定的因素，所以我們無法找到與實(shí)際相符合的計(jì)算式，所以在進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化的時(shí)候我們可以使用概念設(shè)計(jì)的方法，把相應(yīng)的數(shù)值作為參考與輔助相關(guān)的依據(jù)。同時(shí)在設(shè)計(jì)過程中，相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員必須合理并靈活的使用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法，從而達(dá)到最佳的效果。 </p><p>　　在設(shè)計(jì)過程中必須對(duì)細(xì)部的結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)

15、優(yōu)化，物盡其材。例如，豎向柱構(gòu)件采用高強(qiáng)度混凝土能夠有效減少柱子截面，而對(duì)于水平構(gòu)件來說就可以降低混凝土標(biāo)號(hào)，這樣既可以達(dá)到受力要求，又可以節(jié)約成本。后期的優(yōu)化設(shè)計(jì)和細(xì)部結(jié)構(gòu)精細(xì)化設(shè)計(jì)能節(jié)約一定的經(jīng)濟(jì)成本。此階段通過優(yōu)化設(shè)計(jì)能節(jié)約造價(jià)10%以上。 </p><p>　　3.3 下部地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化 </p><p>　　基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)尤為重要，基礎(chǔ)造價(jià)能占到結(jié)構(gòu)成本的30%左右，在地基基

16、礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化中，我們必須選取合適的基礎(chǔ)方案，確定合理的持力層，盡量選擇天然地基，樁基能不用則不用，可以有效降低成本、節(jié)約工期。如果不可避免的采用樁基，需根據(jù)樁端持力層的厚度選擇合理的樁長(zhǎng)，并根據(jù)土層情況確定是否采用后壓漿灌注樁；而對(duì)于管樁，同樣直徑可以考慮選用方樁，能夠提高20%的摩擦力。通過對(duì)多種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行必要的分析比較，然后選取最佳的設(shè)計(jì)方案。 </p><p><b>　　4 結(jié)語(yǔ) <

17、/b></p><p>　　對(duì)于住宅建筑，目前限額設(shè)計(jì)已經(jīng)成為常態(tài)，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與方法已經(jīng)無法滿足建設(shè)商的要求，在目前的設(shè)計(jì)中采用優(yōu)化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為無法回避的問題。通過選擇合理的結(jié)構(gòu)體系以及基礎(chǔ)方案，充分利用材料強(qiáng)度，降低自重，活學(xué)活用規(guī)范做到精細(xì)化設(shè)計(jì)能夠節(jié)約可觀的工程造價(jià)，適應(yīng)建設(shè)綠色可持續(xù)發(fā)展社會(huì)的要求。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b>

18、;</p><p>　　[1]張炳華.土建結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2008：34-36. </p><p>　　[2]汪樹玉.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].基建優(yōu)化，2007:12-13. </p><p>　　[3]王光遠(yuǎn).工程結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)用方法[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007：35-37. </p>&l