關于建筑結構設計優(yōu)化方法論文
摘要：
介紹了概念設計的主要內(nèi)容，從結構布置、構件截面、地基基礎、構造措施等方面，闡述了建筑結構概念設計的優(yōu)化方案，旨在充分發(fā)揮各結構構件的功能，使建筑結構設計符合相關規(guī)范要求。
關鍵詞：
建筑結構，概念設計，地基基礎，結構布置
引言
建筑結構優(yōu)化的方法以及原理有兩類：一類是數(shù)學規(guī)劃法，借助于極值原理的概念，將相應的參數(shù)進行優(yōu)化設計，找出最優(yōu)參數(shù)；另一類是準則法，從結構力學的角度進行優(yōu)化。兩種方法各有優(yōu)缺點，其中數(shù)學規(guī)劃法有嚴格的理論依據(jù)作為設計的支撐，適應性比較好；缺點是求解速度比較慢，而且由于嚴格理論的存在求解會受到一部分限制。而準則法的優(yōu)點是優(yōu)化時間相對較短，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構優(yōu)化的任務；缺點是沒有嚴格的理論依據(jù)作為支撐，因此在實際中，一般認為是最接近理想狀態(tài)的優(yōu)化結果，但不是真正的最佳結果。在國內(nèi)外對于準則法的不斷優(yōu)化中，逐漸對其進行改進，目前可以優(yōu)化的結構問題中，變量的數(shù)量可高達上百萬個，優(yōu)化的范圍比較廣泛。兩種方法不斷發(fā)展，互相彌補缺點形成一種新的方法，就是逼近概念法，結合了準則以及數(shù)學規(guī)劃法，一方面有嚴格理論作為優(yōu)化的基礎，同時還具有不斷逼近的功能，從而進行簡化優(yōu)化，然后用迭代法進行求解，最終得到優(yōu)化解，達到結構優(yōu)化的目的。截面優(yōu)化問題中桁架的問題就使用該方法，設計變量取為桁架截面面積的倒數(shù)，然后進行結構設計的優(yōu)化。數(shù)學規(guī)劃由于存在理論基礎，可以與有限元軟件進行結合求解，使得數(shù)學規(guī)劃法的應用更為流行，隨著結構優(yōu)化的不斷發(fā)展以及應用過程中存在的問題，已經(jīng)不再是最初只能滿足簡單要求的優(yōu)化法，現(xiàn)在說的結構優(yōu)化是需要在系統(tǒng)上的優(yōu)化及多目標優(yōu)化、高層次的優(yōu)化。建筑結構設計的工作很復雜，最基本的兩項任務是設計需要實現(xiàn)的功能，以及實現(xiàn)功能后結構的可靠性以及安全性問題，另一項工作是在設計的時候考慮工程的造價問題，滿足結構的各項功能指標的同時費用的控制也是很重要的。
1、概念優(yōu)化設計
建筑結構設計中，計算機的應用提供了方便性，使得結構設計的高度逐漸上升，結構設計人員對于繁復的計算工作不再進行手算，通過輸入計算機中，經(jīng)過有效地計算得出相應的結果。結構設計人員需要做的就是扎實的理論依據(jù)，以及豐富自己的經(jīng)驗，重點放在一些傳統(tǒng)問題中比較棘手而且難以解決的問題，通過自己的分析以及經(jīng)驗對于問題得到更加合理的答案，從而使得設計方案更加的適用、合理以及經(jīng)濟，因此設計者的時間大多放在概念設計上。概念設計的一整套流程就是設計人員首先從最初關于結構的信息（選型、布置、分析以及計算）等方面著手，然后解決遇到的問題，根據(jù)不同工作的規(guī)律以及流程，結合相關的經(jīng)驗以及因素，對問題進行解決、分析以及處理，最終確定合理的方案。建筑設計方案一般結構布置方式有很多種，因此確定結構的布置方式是首要任務，一旦確定了結構的布置方式，接下來考慮的是受力荷載分析，荷載的分布以及受力同樣需要進行選取以及確定；然后是建筑物關于細部的處理。在應用計算機進行處理的時候，上述工作是無法通過計算機單獨完成的，需要設計人員的協(xié)助以及確認，根據(jù)自己在設計領域的專業(yè)知識以及經(jīng)驗進行判斷。這些判斷不依賴于計算機，靠的就是工程設計人員的理論基礎以及經(jīng)驗，即所謂的概念設計。概念設計中會出現(xiàn)很多問題需要解決，然后考慮在建筑物投入運行中可能受到的各種不利因素以及破壞力，這些都是概念設計的主要內(nèi)容，因此在實際設計過程中要重視概念設計。
2、結構布置的概念設計
結構布置涉及受力，因此要從全局出發(fā)，綜合抗震設計的基本原則，對于不必要的內(nèi)耗問題要盡可能地降低，對于結構的剛度突變和扭轉(zhuǎn)效應盡可能的減小，讓構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上，對建筑物整體結構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特，以表達他的思維以及藝術的品味和判斷，而對于結構工程師來說結構受力安全可靠才是最重要的，但是同時滿足建筑師的要求，設計新的結構受力形式使得建筑師的設計得以實現(xiàn)。結構上一般對于簡單的低層以及多層結構都是很容易滿足的，其受力并不復雜，但是對于高層結構的設計，在建筑師表達自己的想法時，會出現(xiàn)與結構工程師脫節(jié)的情況，因此在與建筑師交底的過程中，結構師應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。建筑設計方案的完成標志著下一項工作的開始，結構方案的選擇，每個構件都需要考慮受力，其中包括可預見的受力情況以及不可預見的受力情況。豎向構件的受力包括豎向荷載的傳遞以及風和地震荷載的作用，隨著氣溫的變化，還會產(chǎn)生溫度應力，因此對于豎向構置的部件，其位置要有利于溫度應力以及水平荷載的承受。水平承重構件的布置同樣要考慮一系列因素，首先要傳力路徑簡單明了，荷載的傳遞要迅速，即采取最方便快捷的方式進行，最后傳遞到基礎或者地基上，不合理的結構布置，會使得力的傳遞經(jīng)過多層次，將原本簡單的受力變復雜，最后傳遞到基礎上去。然后是結構構件的尺寸大小的確定，一般先按照經(jīng)驗進行選取，具體的大小根據(jù)相關的理論進行選擇。
3、構件截面的概念設計
構件截面的設計，通過截面控制內(nèi)力對構件進行正、斜截面的計算，然后進行配筋處理，概念設計在此處的應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，不同構件以及同一構件的不同位置也是不同的，綜合考慮各種因素后進行確定。
4、地基基礎的概念設計
對于地基來說不確定因素很多，其中地基土就是一個，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行模擬計算，這同樣需要設計人員的理論基礎以及經(jīng)驗進行確定，對可能出現(xiàn)的問題以及因素進行分析和預測，之后對應對方案進行選取，找出最佳方案。結構設計最常用的方法就是獨立計算，將地基、基礎以及上部結構分別進行力學計算和分析，這種計算方法的缺點就是跟實際脫離比較大，其實緣由很容易解釋，就是在進行力學性能計算的時候，整個結構是連帶關系，上部結構的受力必然會影響下部結構的受力，但是理論計算的時候的相分離策略忽略了這一點，造成了較大的數(shù)值差距。這就要求設計人員具備扎實的理論依據(jù)，構件之間的受力聯(lián)系以及荷載的傳遞有較高深的理論依據(jù)，綜合各項因素，各個角度得出最佳方案。
5、構造措施的概念設計
結構設計完全依靠理論得出的設計方案在實際中存在較多問題，甚至對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，結構會發(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，一般會進行構造措施的設計。有經(jīng)驗的設計人員提出的解決方案就是使用一部分對抗震有利的構件，提高結構的整體性以及延性。
6、結語
概念設計的內(nèi)容包含太多，而且需要設計人員從主觀層面上進行各種理論的分析以及計算，合理的方案才能形成。通俗說法就是設計人員根據(jù)自己的經(jīng)驗以及相關的理論進行結構優(yōu)化設計從而確定最佳方案。對于結構優(yōu)化的深度性以及優(yōu)化的正確性完全依據(jù)設計人員的專業(yè)素養(yǎng)，尤其是解決實際問題的能力，更是依靠從事設計工作設計經(jīng)驗的累積程度。
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