論建筑結構設計的優(yōu)化問題

1、論建筑結構設計的優(yōu)化問題    摘 要：如若說建筑是一首特殊的華美樂章，那么，建筑結構是這首樂章的“曲風”。而對建筑結構設計優(yōu)化來說，它在建筑結構設計、乃至整個建筑中的作用是不容小覷的。文中從建筑結構設計優(yōu)化的優(yōu)點著手，分別從建筑結構設計優(yōu)化的方法和技術上，談了一些個人對于“建筑設計結構設計優(yōu)化”的認識。 關鍵詞：建筑；結構設計；優(yōu)化 中圖分類號：S611文獻標識碼：A 文章編號： 在建筑領域內，數(shù)字計算機和相關的數(shù)字技術，不僅能夠讓從業(yè)者輕松自如的完成數(shù)據(jù)分析和計算、項目設計和出圖等一系列工作。而且它也帶給了我們許多“新體驗”。比如說：建筑結構設計優(yōu)化

2、。經(jīng)驗告訴我們，在以數(shù)字計算機為操作平臺，以數(shù)學、力學等學科為參考的建筑結構設計優(yōu)化工作，不僅能夠輔助結構師進行項目“可執(zhí)行性”（傳統(tǒng)結構設計）這一主要工作，同時，它也能夠對結構設計的“安全性”、“經(jīng)濟型”等有關問題起到權衡利弊的作用。毫無疑慮，建筑結構設計優(yōu)化為日趨復雜、多元化的建筑實現(xiàn)了強有力的結構架設保障。而在具體的工作中，如若想真正達到經(jīng)濟和合理雙收益的工作目標，我們必須要嚴格把握相關的方式方法和技術手段。 一、建筑結構設計優(yōu)化的好處 我們都知道，在傳統(tǒng)的建筑結構設計中，設計者通常會根據(jù)設計要求，然后結合以往的實踐經(jīng)驗，參考近似的設計方案，以判斷的方式去著手進行相應的設計方案，在此之后

3、，再去進行有關“強度”、“剛度”、“穩(wěn)定”等相關方面的計算。在運用此方法進行結構設計時，如果條件允許的話，設計者還會從結構布局、結構外形、材質選擇等方面入手，去尋求一個更為合理的設計方案，而在力學分析方面也僅僅是起到了一個核對查考、比較驗證的作用。于是，傳統(tǒng)的建筑結構設計就暴露出以下這么幾種主要弊端：工作量大、效率低下；由于時間限定和設計者經(jīng)驗不足等內外因素，致使所敲定的設計方案并非是最為理想、科學的方案；以分析和計算各種外界因素作用下的受力、變形等力學反應為工作目標，未達到設計這一層面。 然而，伴隨著數(shù)字技術等科學技術的崛起、涌進，我們人類的思維、感想等各種與設計有關的因素，也不斷地被充溢和

4、改變著。這時候，只能夠起到“分析”作用的傳統(tǒng)結構設計方式就明顯的有些力不從心了。因為，在現(xiàn)如今，不管是任何一種設計，其除了要滿足設計對象的工藝性能等藝術特征，可靠性、安全性等使用性性能之外，還要做到設計對象被生產(chǎn)時，達到消耗最低、誤差最小、費用最低等目的。而建筑結構設計優(yōu)化，就是如此。 事實證明，建筑設計優(yōu)化能夠做到：“將設計周期縮短到最小范圍，節(jié)省大量人力，提高設計質量及水平，從而，最終取得顯著的經(jīng)濟和社會效益?！倍ㄖY構設計優(yōu)化是如何做到這點的呢，這要從其方法和技術上談起。 二、建筑結構設計優(yōu)化的方法 和所用結構設計優(yōu)化一樣，建筑結構設計優(yōu)化的主要特征是讓“參與計算的部分以變量的方式”出

5、現(xiàn)。通俗的講，就是在設計過程中，在符合各種相關規(guī)范、規(guī)定條例之下，將所有能夠實現(xiàn)結構設計的方案全部羅列出來。而后，在數(shù)學手段的輔助之下，按照設計預定要求，從中挑選一個“可執(zhí)行性”、“科學性”和造價最低等各種優(yōu)勢兼顧的最優(yōu)方案。而具體到方法的應用上，建筑結構和工程造價是兩個最為明顯的突破口。 （一）建筑結構 建筑抗震設計要求建筑平面宜規(guī)則、簡單、對稱，減少偏心，平面的長寬比不宜過長、平面凹凸不能太大，豎向抗側力構件盡量連續(xù)等。因此建筑設計師在建筑方案設計階段全局考慮尤為重要！同時結構師參與建筑方案的設計也是很有必要的。建筑方案規(guī)則合理了，結構設計師再在受力分析及概念設計方面進行計算分析、合理調整

6、。就能做出完成一個既經(jīng)濟有安全的結構，做到既節(jié)省又節(jié)能的要求！大量工程實例表明，不規(guī)則的建筑方案很大程度上使得結構師在優(yōu)化設計上顯得有些力不從心。 對于一項工程而言，從建筑工程的結構入手，是設計師最長使用的結構設計優(yōu)化辦法。誠然，建筑結構總體是由若干個分部結構構建而成的，而建筑分部結構又可被分為：“基礎結構”（建筑框架）、“屋蓋結構”、，“圍護（墻體）結構”以及“結構細部”（如：門窗、地板等）等多個方面。于是乎，每一個分部結構都成為了設計師使用結構設計優(yōu)化的突破口，在具體操作時，設計者便可以在相關規(guī)定要求范圍之內，圍繞造型、選材、布局、位置、力學、造價等各個優(yōu)化設計關鍵因素去結合具體情況（建筑

7、師等相關人員的需求），本著經(jīng)濟效益、安全系數(shù)“雙豐收”的方針，由片面（每一個分部結構）及全面的進行建筑結構優(yōu)化設計。 （二）工程造價 經(jīng)試驗證明，在建筑工程項目中，正確使用建筑結構優(yōu)化方法，可以讓工程造價降低到5%-30%（就現(xiàn)況而言，但隨著技術的革新，比率會越來越高）。所以，在保證建筑內部各個分支能夠相互協(xié)調，保障建筑的安全性、合理性，結構可靠度的情況之下，合理的利用建筑材質材料，是降低工程造價的最直接的方式。于是，這也就成為建筑結構設計優(yōu)化方法的另一個“著陸點”。 綜上所述，我們不難看出：從正確的“入口”使用建筑結構設計優(yōu)化方法，是實現(xiàn)建筑適用性能高、安全性能高、成本低廉等優(yōu)勢行之有效的途

8、徑。而在具體應用上，我們還要毫無紕漏的應用技術手段，來予以實現(xiàn)。 三、建筑結構設計優(yōu)化技術上的難題 每一項建筑結構設計，它都會產(chǎn)生出許多種結構布局設計方案，另外，建筑物細部的處理方式更是千差萬別的。對于設計者而言，通過一味的去分析設計中各種相關參數(shù)、材料、負荷值等數(shù)值，去尋求優(yōu)化設計并非是科學的。因為，就拿負荷值來說，同種負荷情況下，也存在有許多不同的分析方式方法。 其實，建筑結構設計優(yōu)化，同樣也要遵循傳統(tǒng)結構設計的流程的：“設計（擬定各個相關尺寸）校核（審核是否符合規(guī)范條例）修改設計方案再校核”，如此循環(huán)，直至達到理想方案。而在此流程中，結構設計師的經(jīng)驗、學識、閱歷是起著不容小覷的作用的。例

9、如說：每一個建筑項目都會在其建設中或建成后，有可能遇到許多不可預見的自然災害，如地震、火山噴發(fā)等地質災害。而在建筑結構設計優(yōu)化過程中，設計者就要做到防患于未然。落實到操作上，我們首先要將不利于對抗“地震”等自然災害的做法排除在外，其次，我們在設計優(yōu)化過程中，一定要認真考慮“地震作用”、“風荷載”以及“軸力”、“彎矩”、“剪力”等和“外荷載”相關的各種數(shù)值。而在解決此問題上，設計者可以憑借自己的工作經(jīng)驗和學識，去因地適宜的進行設計。諸如：剛度平衡對稱可以減輕地震給建筑帶來的損害；“延性設計”可以避免建筑在地震影響下，發(fā)生“脆性斷裂”現(xiàn)象；以及“多道設防設計”會讓在特大地震發(fā)生時，先破壞建筑的次要

10、構造元素，以達到最小限度的影響主體建筑結構。另外，隨著建筑樓層的不斷增高，結構師可以在滿足建筑師設計訴求的基礎之上，采用水平布置對稱、規(guī)則，豎向上下貫通的優(yōu)化方法。如此的優(yōu)化方法，由于盡可能的縮小了質量和剛度中心，使得建筑物不會出現(xiàn)由于水平負荷過大，產(chǎn)生扭曲的狀況；另外，豎向連貫的方法，讓豎向剛度產(chǎn)生了“漸變”效應，從而不至于產(chǎn)生剛度突變，出現(xiàn)應力集中的弊端。 總而言之，建筑工程，不僅是一項極度科學、嚴謹?shù)膶W科，而且也是一項資費高昂的工程。在進行建筑結構設計優(yōu)化的“征途”中，結構師一定要從多角度出發(fā)，全方位的估計所涉及到的各種問題，總之，我們既要遵循相關的規(guī)則和準則，又要在保證項目最優(yōu)化設計的

11、基礎之上，去尋找能夠實現(xiàn)“開源節(jié)流”的結構設計方式和技術手段。 四、結語 顯而易見，建筑結構設計優(yōu)化的出現(xiàn)，為現(xiàn)在的建筑選擇了一個最為有效、科學的建筑結構。有句名言曾經(jīng)說到：“建筑的目標在創(chuàng)造完美，也就是創(chuàng)造最美的效益。”對于一個建筑結構設計師來說，在保證建筑安全、可靠性的前提之下，探索科學、經(jīng)濟、實效性的建筑結構是非常值得提倡的。因為，建筑結構設計優(yōu)化方法的技術性實現(xiàn)，不僅可以讓建筑項目在施工中找尋到最經(jīng)濟、最合理的材料利用方式，也可以讓結構內部各元素得到很好的調配，更可以使落成的建筑擁有極高的安全度。無疑，建筑結構設計優(yōu)化是讓建筑實現(xiàn)經(jīng)濟、安全、并且不乏適用性的最佳途徑。 參考文獻： 1 熊開安，程志勇著.建筑結構M.廣州：華