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建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化設(shè)計新方法論文
摘要:對現(xiàn)代建筑建設(shè)來說，建筑不僅需要滿足用戶的使用需求，還需要同時滿足用戶的審美需求，具備一定的美感。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，安全、施工便捷、經(jīng)濟、實用和美觀是必須要考慮的五個基本問題，這也要求設(shè)計者對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計進行優(yōu)化，使建筑不斷趨于合理、安全和實用。為此，本文將具體介紹幾種建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的方法，以供參考。
關(guān)鍵詞:建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計；優(yōu)化方法；數(shù)學(xué)模型
在建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計環(huán)節(jié)中，設(shè)計者需要對建筑的布局、施工方案和驗收環(huán)節(jié)進行把控，綜合考慮并不斷優(yōu)化，才能做出科學(xué)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。在原有方案的基礎(chǔ)之上，對結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進行改進，使其充分利用空間資源，并在最大程度上滿足用戶的實際需求，在實現(xiàn)其基本的建筑物使用功能的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)較好的美觀功能，并在實際建設(shè)中節(jié)約建設(shè)成本，獲得最佳經(jīng)濟效益。
1建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的必要性
在房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，使用合理的優(yōu)化設(shè)計方案，不僅能夠提升建筑物的使用價值，還可以同時實現(xiàn)建筑物的經(jīng)濟價值和環(huán)保價值。在優(yōu)化設(shè)計方案中，節(jié)省建筑單位的資金投入，降低建設(shè)成本。建筑優(yōu)化設(shè)計與傳統(tǒng)的建筑設(shè)計相比，能夠為企業(yè)帶來更好的經(jīng)濟效益、為用戶提供更好的使用體驗。通過優(yōu)化配置建筑施工過程中的各種資源，如建筑材料、結(jié)構(gòu)布局，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)布局的有效結(jié)合，共同發(fā)揮更優(yōu)作用，建筑物的面積隨著建筑物層數(shù)的增加而增加，而要想保證建筑物的良好設(shè)計效果、穩(wěn)定性和可靠性，建筑物的單位面積造價也會隨之升高。通過建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，便可以在這些因素之間找到協(xié)調(diào)點，實現(xiàn)最佳的方案設(shè)計。
2建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)化建模的詳細步驟
2．1目標(biāo)函數(shù)的選擇設(shè)計人員在對房屋結(jié)構(gòu)進行設(shè)計優(yōu)化時，首先必須確定建筑結(jié)構(gòu)的目標(biāo)函數(shù)，通過建筑物的安全標(biāo)準(zhǔn)和面積參數(shù)共同確定，進而根據(jù)建筑物建設(shè)工程材料的情況準(zhǔn)確定建筑物優(yōu)化設(shè)計的工程造價。在這之后，設(shè)計人員需要對計算出的集中工程造價方案進行分析，選擇工程造價最低的方案，以實現(xiàn)在滿足建筑物各項需求的基礎(chǔ)上經(jīng)濟效益的最大化。2．2變量的選擇在對目標(biāo)函數(shù)進行合理的選擇之后，還需要對建筑物的變量進行選擇。變量的選擇具體是指設(shè)計人員分析出的可能影響建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計的因素，對其進行分析和研究，選擇其中影響程度最大的變量因素進行計算和控制，進而達到變量選擇的實際作用。2．3約束條件的選擇對建筑結(jié)構(gòu)的可靠性進行優(yōu)化和創(chuàng)新，可以對房屋建筑結(jié)構(gòu)當(dāng)中的定量與約束條件內(nèi)容進行準(zhǔn)確的判定，并將約束條件限定在建筑物的工程標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，借此實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的最優(yōu)化。例如，在對應(yīng)力、尺寸大小和結(jié)構(gòu)強度等因素的約束條件進行判定時，必須以建筑物結(jié)構(gòu)的實際情況為基礎(chǔ)進行選擇。
3建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化新方法介紹
建筑物結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計體現(xiàn)在建筑物工程結(jié)構(gòu)總體的優(yōu)化設(shè)計和建筑物結(jié)構(gòu)分部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計兩方面。在分部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中，需要進行優(yōu)化設(shè)計的內(nèi)容有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、屋蓋層系統(tǒng)、圍護結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)細部方案的優(yōu)化設(shè)計。對這些內(nèi)容的優(yōu)化設(shè)計涉及到選型、布置、造價分析和受力分析幾個部分，并在滿足其使用需求的前提下實現(xiàn)經(jīng)濟效益的最大化。并在滿足建筑物結(jié)構(gòu)的長期效益條件下，以減少近期投資為目的降低工程造價5%～30%。在優(yōu)化技術(shù)的同時，通過合理利用不同材料的性能使建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)的各個單元實現(xiàn)最佳協(xié)調(diào)。
3．1拓撲優(yōu)化方法拓撲優(yōu)化方法需要設(shè)計人員在對建筑物進行設(shè)計優(yōu)化過程中，找到準(zhǔn)確的建筑結(jié)構(gòu)理想化分布形式，并對建筑物結(jié)構(gòu)的剛度等屬性進行有效分析，通過拓撲優(yōu)化方式實現(xiàn)減少建筑物結(jié)構(gòu)重量的目的，進一步提升建筑物的性能。在使用拓撲優(yōu)化方法時，設(shè)計者必須充分認識到拓撲優(yōu)化方法的優(yōu)點，通過拓撲優(yōu)化方法將建筑物結(jié)構(gòu)的設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)楦拍钚缘慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計方法，提升建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計的邏輯性。
3．2截面優(yōu)化方法建筑物結(jié)構(gòu)的細節(jié)是最能體現(xiàn)其整體可靠性和安全性能的部分，在處理建筑物截面時，設(shè)計人員必須考慮到截面結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，對建筑物的截面進行科學(xué)計算，提升其穩(wěn)定性和美觀度。對于建筑物截面的優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計人員可以利用有限元方法來計算設(shè)計變量的應(yīng)力特點和結(jié)構(gòu)位移情況，并通過信息化的設(shè)備驗算和統(tǒng)計所獲得的設(shè)計數(shù)據(jù)，再依據(jù)所得的結(jié)果判斷需要調(diào)整的范圍，并對該范圍內(nèi)的區(qū)域進行優(yōu)化設(shè)計。
3．3外形優(yōu)化方法通過外形優(yōu)化方法，設(shè)計人員可以在固有的截面優(yōu)化方法基礎(chǔ)上發(fā)對建筑物的結(jié)構(gòu)框架和內(nèi)部形狀進行更進一步的調(diào)整、完善，以便提升建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計質(zhì)量。首先，設(shè)計人員需要了解和掌握建筑物的整體情況，以我國現(xiàn)行的建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)對其進行修正。通過外形優(yōu)化方法劃分建筑物結(jié)構(gòu)的外形特征，在實際工作中，主要采用的是桿系結(jié)構(gòu)和連續(xù)性結(jié)構(gòu)。在使用干洗結(jié)構(gòu)外形設(shè)計過程中，建筑物結(jié)構(gòu)的節(jié)點坐標(biāo)的選取是關(guān)鍵點，并將選取的節(jié)點坐標(biāo)作為設(shè)計的變量，用以滿足建筑物外形優(yōu)化設(shè)計的需求。
3．4概念設(shè)計與細部結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化相結(jié)合在缺乏詳細數(shù)據(jù)的情況下，我們可以通過概念設(shè)計的方法來實現(xiàn)設(shè)計的優(yōu)化。例如，在對建筑物的抗震能力進行設(shè)計時，因為地震的強度是不確定因素，我們無法找到與之對應(yīng)的計算方法，因此，就可以引入概念設(shè)計的方法，將數(shù)值作為輔助依據(jù)。并在設(shè)計過程中結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的方法，從而使優(yōu)化設(shè)計達到最佳效果。此外，在設(shè)計過程中，設(shè)計人員必須對結(jié)構(gòu)的西部進行優(yōu)化設(shè)計，例如，在進行現(xiàn)澆混凝土施工中，異形板料的彎曲部位十分容易開裂，為此，我們可以將其簡化為矩形板，再選擇鋼筋，這樣就可以降低凝土開裂的概率，既能滿足建筑物結(jié)構(gòu)的基本需求，又能夠?qū)崿F(xiàn)安全和經(jīng)濟的目標(biāo)。
3．5建筑物下部地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計在對建筑物的下部地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計時，設(shè)計人員必須選擇最為合適的方案。例如，以實際施工情況為基礎(chǔ)選擇對應(yīng)的樁基類型，盡量降低工程造價，再根據(jù)樁端持力層的厚度對灌注樁的長度進行科學(xué)選擇，并對集中優(yōu)化設(shè)計方案進行對比，進一步篩選出最優(yōu)的設(shè)計方案。例如，某建筑物結(jié)構(gòu)的原設(shè)計使用的是樁筏基礎(chǔ)，相對該結(jié)構(gòu)設(shè)計進行優(yōu)化，將樁筏基礎(chǔ)改為樁基礎(chǔ)，設(shè)置兩樁承臺、三樁承臺、四樁承臺和梁式承臺。在這部分優(yōu)化中，考慮的是基礎(chǔ)傳力的傳遞路徑最短則越省材料，但是前提保證是總沉降值和不均勻沉降值。樁筏基礎(chǔ)較樁基礎(chǔ)而言增加了一塊整體的筏板，將整體受力轉(zhuǎn)變?yōu)榫植渴芰�，增加了傳遞的途徑，但是也增加了材料的使用，雖然浪費了材料，但對控制不均勻沉降具有一定作用。根據(jù)實際情況而言，若要同時滿足總沉降、不均勻沉降以及地基承載力的要求，使用天然基礎(chǔ)的經(jīng)濟型要比樁基礎(chǔ)更高，而且施工更為簡便，所需時間也相對較少，費用也較為便宜，不失為一個較好的選擇。
4結(jié)語
在建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中，合理選擇結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案既能夠得到技術(shù)上的要求，又能夠極大的減少建設(shè)資本，但是這是一項十分復(fù)雜、綜合性強且系統(tǒng)性較強的工作，要想實現(xiàn)有效的設(shè)計優(yōu)化，必須對此加大研究力度，不斷深入優(yōu)化建筑物設(shè)計，通過設(shè)計優(yōu)化的手段在建筑土地價格飛漲的今天，有效控制工程造價，實現(xiàn)經(jīng)濟效益與建筑物質(zhì)量的最佳協(xié)調(diào)。并通過細節(jié)方面的優(yōu)化，給予用戶更為舒適、貼心的居住體驗。
參考文獻
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