建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究論文
摘要:為了保證建筑結(jié)構(gòu)的性能和節(jié)能等方面的優(yōu)化，需要對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過對(duì)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的定義和影響結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)展的因素進(jìn)行分析，對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型的建立和優(yōu)化的方法進(jìn)行簡(jiǎn)單的論述，對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立、使用方法進(jìn)行研究和分析。
關(guān)鍵詞:建筑結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；措施
通過對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)不但能夠作用于結(jié)構(gòu)本身，而且能夠在其他的方面起著一定的作用，比如能夠增加建筑的空間使用效率以及改善建筑的舒適度等方面的作用。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要針對(duì)結(jié)構(gòu)的各方面因素、約束和要求等方面的情況，從而保證設(shè)計(jì)的質(zhì)量。
1結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)展的制約因素
在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的時(shí)候，首先需要進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的建立，然后再對(duì)優(yōu)化的方案進(jìn)行選擇，對(duì)目標(biāo)函數(shù)和設(shè)計(jì)變量等方面進(jìn)行確定，對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行確定并設(shè)計(jì)初始點(diǎn)，進(jìn)行計(jì)算機(jī)語言程序的編寫，然后在利用計(jì)算機(jī)來進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算并輸出結(jié)果，最后需要對(duì)輸出的結(jié)果進(jìn)行一定的分析審核［1］。簡(jiǎn)單的來說其實(shí)就是先將設(shè)計(jì)問題轉(zhuǎn)化為適合優(yōu)化計(jì)算的數(shù)學(xué)模型的實(shí)質(zhì)的問題，然后在利用合適的優(yōu)化方法來進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的求解。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題的變量個(gè)數(shù)方面，如果問題的復(fù)雜程度較高的話，對(duì)應(yīng)的變量個(gè)數(shù)也會(huì)增加，在主動(dòng)變量和被動(dòng)變量的區(qū)分上也有一定的難度，這就會(huì)增加優(yōu)化分析的工作量。當(dāng)前我國(guó)在工程的要求上不能精確的對(duì)離散變量進(jìn)行分析，通常情況下會(huì)先進(jìn)行連續(xù)變量的處理之后再進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的歸整，但是這種形式會(huì)存在著一定的誤差［2］。在約束條件方面，主要呈現(xiàn)了在數(shù)量和種類上的大量化，通常來說約束條件的數(shù)量需要比變量的數(shù)量多，很多的約束函數(shù)是需要高度的隱形和非線性來進(jìn)行保證的，所以不能充分的對(duì)有效約束和無效約束進(jìn)行區(qū)分，也會(huì)給建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化帶來困難。在目標(biāo)函數(shù)方面，不能對(duì)目標(biāo)函數(shù)的明確性進(jìn)行充分的保證，在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的時(shí)候通常會(huì)利用質(zhì)量最輕或者造價(jià)最省的單位進(jìn)行優(yōu)化，而對(duì)于實(shí)際問題，則需要根據(jù)實(shí)際問題的'需要來對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行確定，比如對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)來說，不能以質(zhì)量的輕重來進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效果的反映，但是通過和混凝土的對(duì)比則能夠在資源和價(jià)格等方面進(jìn)行明顯的比較，為了對(duì)鋼筋的重量進(jìn)行優(yōu)化，需要保證設(shè)計(jì)時(shí)選取截面小并且密度較大的鋼筋結(jié)構(gòu)，但是這種方式在造價(jià)上不能得到充分的保證，并且在施工上也不方便［3］。所以在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化上來說，需要利用費(fèi)用來進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)的制定。另外某些技術(shù)性指標(biāo)也需要進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)的制定，就比如準(zhǔn)則法需要進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)的制定。針對(duì)上述的情況可以發(fā)現(xiàn)在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的時(shí)候建立合理的目標(biāo)函數(shù)是有一定難度的。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和敏度分析的時(shí)候需要付出一定的腦力和人力勞動(dòng)，通常情況下不能對(duì)實(shí)際的問題進(jìn)行一次性的成功的優(yōu)化分析。對(duì)此需要在進(jìn)行問題優(yōu)化的時(shí)候進(jìn)行多次反復(fù)的比較最終選擇最優(yōu)的方案，這就是造成了較大的人力和腦力的勞動(dòng)的付出。相關(guān)的研究人員和學(xué)者認(rèn)為重復(fù)分析的次數(shù)不能超過10次，否則分析的費(fèi)用不能符合結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目標(biāo)。通常敏度分析是需要在結(jié)構(gòu)分析之后進(jìn)行，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的重復(fù)分析的時(shí)候需要進(jìn)行敏度分析，而敏度分析也是需要一定付出的。
2結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型和優(yōu)化方法
通過建立數(shù)學(xué)模型能夠方便建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過對(duì)數(shù)學(xué)模型的控制能夠保證解的精度，減少計(jì)算的工作量，能夠充分的保證解答的準(zhǔn)確性［4］。數(shù)學(xué)模型在建立的時(shí)候需要在選擇設(shè)計(jì)變量、建立目標(biāo)函數(shù)和確定約束條件三個(gè)方面進(jìn)行確定。(1)設(shè)計(jì)變量的選擇。設(shè)計(jì)變量是設(shè)計(jì)過程中需要進(jìn)行選優(yōu)的量，主要是在結(jié)構(gòu)的形狀參數(shù)、截面尺寸和使用材料等方面的信息。通常情況下，要想保證優(yōu)化的效果，需要盡可能多的對(duì)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行選擇，但是對(duì)應(yīng)的工作量也會(huì)增加。但是在實(shí)際的優(yōu)化過程中會(huì)選取較少的設(shè)計(jì)變量，將優(yōu)化效果不好的參數(shù)來設(shè)定為定量［5］。在進(jìn)行設(shè)計(jì)變量的選擇的時(shí)候需要對(duì)客觀條件進(jìn)行分析，在客觀條件的范圍等方面存在一定的限制，比如在對(duì)梁的截面高度進(jìn)行變量的設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)相關(guān)的規(guī)范和要求來進(jìn)行，不能隨意的進(jìn)行選取。(2)目標(biāo)函數(shù)的確定。在進(jìn)行設(shè)計(jì)變量的選擇時(shí)需要按照相應(yīng)的目標(biāo)來進(jìn)行解析表達(dá)式的確定，而這些解析表達(dá)式就是目標(biāo)函數(shù)，另外因?yàn)樵O(shè)計(jì)變量的特性不能寫出解析式的某種指標(biāo)的表達(dá)形式。在對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行選擇的時(shí)候需要按照結(jié)構(gòu)方案的標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行判別，主要是對(duì)結(jié)構(gòu)的體積、重量、造價(jià)和強(qiáng)度等方面的情況來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)的確定。(3)約束條件的限制。約束條件就是在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中需要遵守的條件，能夠?qū)こ坦芾砗鸵笠?guī)范進(jìn)行一定程度的滿足。優(yōu)化變量對(duì)約束條件的確定有著一定的，有些限制是不能夠進(jìn)行省去的，這些就是約束條件，在進(jìn)行約束條件確定的時(shí)候，需要將一些不必要的限制刪除，從而保證約束條件的簡(jiǎn)化［6］。在進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的時(shí)候，通常會(huì)存在較大的約束條件，這些約束條件通常會(huì)分為兩類，第一類是指相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范等方面的約束條件，第二類就是保證結(jié)構(gòu)正常工作的各方面的參數(shù)，第二類約束條件雖然沒有和設(shè)計(jì)變量之間存在直接的聯(lián)系，但是這些約束條件需要進(jìn)行一定的結(jié)構(gòu)計(jì)算才能準(zhǔn)確的獲取。(4)優(yōu)化方法的確定。建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的解決方式有很多，但是沒有統(tǒng)一的分類方法，通常會(huì)按照優(yōu)化的方法特征來分為數(shù)學(xué)規(guī)劃法和優(yōu)化準(zhǔn)則法兩種。
3優(yōu)化設(shè)計(jì)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立和使用方法研究
對(duì)建筑的設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)需要在結(jié)構(gòu)、管線等方面情況進(jìn)行全面的優(yōu)化，不能僅僅的在一個(gè)或幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化的設(shè)計(jì)。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的時(shí)候，需要對(duì)建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部的平面、空間和立面等方面進(jìn)行外觀和性能的滿足。一個(gè)良好的建筑物需要在結(jié)構(gòu)體系的選擇、傳力、構(gòu)建和材料等方面進(jìn)行合理的選擇和利用。在進(jìn)行優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候不能因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)而進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，而且需要針對(duì)建筑的特色來進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。(1)優(yōu)化設(shè)計(jì)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立。主要采用層次分析法來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的分析，通過對(duì)定性和定量的結(jié)合來對(duì)復(fù)雜的問題進(jìn)行有序的分解，并且能夠按照一定的客觀事實(shí)來進(jìn)行判斷，保證每一層次中都有相對(duì)重要性的定量來進(jìn)行充分的表示，然后利用數(shù)學(xué)方法來對(duì)每個(gè)層次的全部元素的次序的數(shù)值進(jìn)行表達(dá)，通過對(duì)每個(gè)層次的這些情況進(jìn)行分析來對(duì)整個(gè)問題進(jìn)行分析。將優(yōu)化設(shè)計(jì)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系分為四個(gè)層次，其中第一層為總目標(biāo)層，也就是整個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，需要遵循以人為本和可持續(xù)發(fā)展觀的原則來進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且需要對(duì)當(dāng)前的技術(shù)水平和建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念進(jìn)行全面的展現(xiàn)，能夠在社會(huì)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)三個(gè)方面來進(jìn)行全面的評(píng)價(jià)［6］。第二層主要包括結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性、結(jié)構(gòu)體系的先進(jìn)性和結(jié)構(gòu)的可靠性三個(gè)方面，第三層主要是準(zhǔn)則層，主要是對(duì)費(fèi)用、施工材料、施工場(chǎng)地、地基基礎(chǔ)和構(gòu)件等方面，而第四層是比第三層更加一步的分層。(2)優(yōu)化設(shè)計(jì)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的使用方法。為了保證模型的針對(duì)性，我們將城市劃分為特大城市、大城市和小城市三種形式，然后將某一種形式中城市的經(jīng)濟(jì)、文化和歷史地理等方面的因素特征進(jìn)行區(qū)分和聚總，然后在進(jìn)行一定的層次的劃分。將城市各個(gè)層面上的因素進(jìn)行20個(gè)指標(biāo)的組合排序，經(jīng)過應(yīng)的存儲(chǔ)和隨機(jī)的選取來確定相應(yīng)的指標(biāo)，然后對(duì)相應(yīng)的指標(biāo)按照一定的標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行打分，從而對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，通過不斷的循環(huán)來保證設(shè)計(jì)方案的最優(yōu)。
4結(jié)語
綜上所述，建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)建筑的結(jié)構(gòu)和其他一些方面有著一定的影響，對(duì)此應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型和優(yōu)化設(shè)計(jì)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立來對(duì)優(yōu)化方案的質(zhì)量進(jìn)行保證。
參考文獻(xiàn)：
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