孫 志 勇

(山西省人防建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030013)

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建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段優(yōu)化方法分析

孫 志 勇

(山西省人防建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030013)

介紹了概念設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，從結(jié)構(gòu)布置、構(gòu)件截面、地基基礎(chǔ)、構(gòu)造措施等方面，闡述了建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案，旨在充分發(fā)揮各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的功能，使建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合相關(guān)規(guī)范要求。

建筑結(jié)構(gòu)，概念設(shè)計(jì)，地基基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)布置

0 引言

建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法以及原理有兩類：一類是數(shù)學(xué)規(guī)劃法，借助于極值原理的概念，將相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，找出最優(yōu)參數(shù)；另一類是準(zhǔn)則法，從結(jié)構(gòu)力學(xué)的角度進(jìn)行優(yōu)化。兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中數(shù)學(xué)規(guī)劃法有嚴(yán)格的理論依據(jù)作為設(shè)計(jì)的支撐，適應(yīng)性比較好；缺點(diǎn)是求解速度比較慢，而且由于嚴(yán)格理論的存在求解會(huì)受到一部分限制[1]。而準(zhǔn)則法的優(yōu)點(diǎn)是優(yōu)化時(shí)間相對(duì)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(jié)構(gòu)優(yōu)化的任務(wù)[2]；缺點(diǎn)是沒(méi)有嚴(yán)格的理論依據(jù)作為支撐，因此在實(shí)際中，一般認(rèn)為是最接近理想狀態(tài)的優(yōu)化結(jié)果，但不是真正的最佳結(jié)果。在國(guó)內(nèi)外對(duì)于準(zhǔn)則法的不斷優(yōu)化中，逐漸對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，目前可以優(yōu)化的結(jié)構(gòu)問(wèn)題中，變量的數(shù)量可高達(dá)上百萬(wàn)個(gè)，優(yōu)化的范圍比較廣泛。

兩種方法不斷發(fā)展，互相彌補(bǔ)缺點(diǎn)形成一種新的方法，就是逼近概念法，結(jié)合了準(zhǔn)則以及數(shù)學(xué)規(guī)劃法，一方面有嚴(yán)格理論作為優(yōu)化的基礎(chǔ)，同時(shí)還具有不斷逼近的功能，從而進(jìn)行簡(jiǎn)化優(yōu)化，然后用迭代法進(jìn)行求解，最終得到優(yōu)化解，達(dá)到結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的。截面優(yōu)化問(wèn)題中桁架的問(wèn)題就使用該方法，設(shè)計(jì)變量取為桁架截面面積的倒數(shù)，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。

數(shù)學(xué)規(guī)劃由于存在理論基礎(chǔ)，可以與有限元軟件進(jìn)行結(jié)合求解，使得數(shù)學(xué)規(guī)劃法的應(yīng)用更為流行，隨著結(jié)構(gòu)優(yōu)化的不斷發(fā)展以及應(yīng)用過(guò)程中存在的問(wèn)題，已經(jīng)不再是最初只能滿足簡(jiǎn)單要求的優(yōu)化法，現(xiàn)在說(shuō)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化是需要在系統(tǒng)上的優(yōu)化及多目標(biāo)優(yōu)化、高層次的優(yōu)化[3]。

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工作很復(fù)雜，最基本的兩項(xiàng)任務(wù)是設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)的功能，以及實(shí)現(xiàn)功能后結(jié)構(gòu)的可靠性以及安全性問(wèn)題，另一項(xiàng)工作是在設(shè)計(jì)的時(shí)候考慮工程的造價(jià)問(wèn)題，滿足結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)功能指標(biāo)的同時(shí)費(fèi)用的控制也是很重要的[4]。

1 概念優(yōu)化設(shè)計(jì)

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用提供了方便性，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的高度逐漸上升，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員對(duì)于繁復(fù)的計(jì)算工作不再進(jìn)行手算，通過(guò)輸入計(jì)算機(jī)中，經(jīng)過(guò)有效地計(jì)算得出相應(yīng)的結(jié)果。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員需要做的就是扎實(shí)的理論依據(jù)，以及豐富自己的經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)放在一些傳統(tǒng)問(wèn)題中比較棘手而且難以解決的問(wèn)題，通過(guò)自己的分析以及經(jīng)驗(yàn)對(duì)于問(wèn)題得到更加合理的答案，從而使得設(shè)計(jì)方案更加的適用、合理以及經(jīng)濟(jì)，因此設(shè)計(jì)者的時(shí)間大多放在概念設(shè)計(jì)上。

概念設(shè)計(jì)的一整套流程就是設(shè)計(jì)人員首先從最初關(guān)于結(jié)構(gòu)的信息(選型、布置、分析以及計(jì)算)等方面著手，然后解決遇到的問(wèn)題，根據(jù)不同工作的規(guī)律以及流程，結(jié)合相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)以及因素，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行解決、分析以及處理，最終確定合理的方案。

建筑設(shè)計(jì)方案一般結(jié)構(gòu)布置方式有很多種，因此確定結(jié)構(gòu)的布置方式是首要任務(wù)，一旦確定了結(jié)構(gòu)的布置方式，接下來(lái)考慮的是受力荷載分析，荷載的分布以及受力同樣需要進(jìn)行選取以及確定；然后是建筑物關(guān)于細(xì)部的處理。在應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理的時(shí)候，上述工作是無(wú)法通過(guò)計(jì)算機(jī)單獨(dú)完成的，需要設(shè)計(jì)人員的協(xié)助以及確認(rèn)，根據(jù)自己在設(shè)計(jì)領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)以及經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷。這些判斷不依賴于計(jì)算機(jī)，靠的就是工程設(shè)計(jì)人員的理論基礎(chǔ)以及經(jīng)驗(yàn)，即所謂的概念設(shè)計(jì)。

概念設(shè)計(jì)中會(huì)出現(xiàn)很多問(wèn)題需要解決，然后考慮在建筑物投入運(yùn)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(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中要重視概念設(shè)計(jì)。

2 結(jié)構(gòu)布置的概念設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)布置涉及受力，因此要從全局出發(fā)，綜合抗震設(shè)計(jì)的基本原則，對(duì)于不必要的內(nèi)耗問(wèn)題要盡可能地降低，對(duì)于結(jié)構(gòu)的剛度突變和扭轉(zhuǎn)效應(yīng)盡可能的減小，讓構(gòu)件的功能盡可能的充分發(fā)揮，盡其所能[5]。

在跟建筑師交底的基礎(chǔ)上，對(duì)建筑物整體結(jié)構(gòu)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(dú)特，以表達(dá)他的思維以及藝術(shù)的品味和判斷，而對(duì)于結(jié)構(gòu)工程師來(lái)說(shuō)結(jié)構(gòu)受力安全可靠才是最重要的，但是同時(shí)滿足建筑師的要求，設(shè)計(jì)新的結(jié)構(gòu)受力形式使得建筑師的設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)。結(jié)構(gòu)上一般對(duì)于簡(jiǎn)單的低層以及多層結(jié)構(gòu)都是很容易滿足的，其受力并不復(fù)雜，但是對(duì)于高層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，在建筑師表達(dá)自己的想法時(shí)，會(huì)出現(xiàn)與結(jié)構(gòu)工程師脫節(jié)的情況，因此在與建筑師交底的過(guò)程中，結(jié)構(gòu)師應(yīng)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[6]。

建筑設(shè)計(jì)方案的完成標(biāo)志著下一項(xiàng)工作的開(kāi)始，結(jié)構(gòu)方案的選擇，每個(gè)構(gòu)件都需要考慮受力，其中包括可預(yù)見(jiàn)的受力情況以及不可預(yù)見(jiàn)的受力情況。豎向構(gòu)件的受力包括豎向荷載的傳遞以及風(fēng)和地震荷載的作用，隨著氣溫的變化，還會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力，因此對(duì)于豎向構(gòu)置的部件，其位置要有利于溫度應(yīng)力以及水平荷載的承受。

水平承重構(gòu)件的布置同樣要考慮一系列因素，首先要傳力路徑簡(jiǎn)單明了，荷載的傳遞要迅速，即采取最方便快捷的方式進(jìn)行，最后傳遞到基礎(chǔ)或者地基上[7]，不合理的結(jié)構(gòu)布置，會(huì)使得力的傳遞經(jīng)過(guò)多層次，將原本簡(jiǎn)單的受力變復(fù)雜，最后傳遞到基礎(chǔ)上去。

然后是結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸大小的確定，一般先按照經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選取，具體的大小根據(jù)相關(guān)的理論進(jìn)行選擇。

3 構(gòu)件截面的概念設(shè)計(jì)

構(gòu)件截面的設(shè)計(jì)，通過(guò)截面控制內(nèi)力對(duì)構(gòu)件進(jìn)行正、斜截面的計(jì)算，然后進(jìn)行配筋處理，概念設(shè)計(jì)在此處的應(yīng)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(gòu)件以及同一構(gòu)件的不同位置也是不同的，綜合考慮各種因素后進(jìn)行確定。

4 地基基礎(chǔ)的概念設(shè)計(jì)

對(duì)于地基來(lái)說(shuō)不確定因素很多，其中地基土就是一個(gè)，不同地區(qū)存在較大差異，而且目前為止，沒(méi)有確定的模型供選擇進(jìn)行模擬計(jì)算，這同樣需要設(shè)計(jì)人員的理論基礎(chǔ)以及經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定，對(duì)可能出現(xiàn)的問(wèn)題以及因素進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，之后對(duì)應(yīng)對(duì)方案進(jìn)行選取，找出最佳方案。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最常用的方法就是獨(dú)立計(jì)算，將地基、基礎(chǔ)以及上部結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行力學(xué)計(jì)算和分析，這種計(jì)算方法的缺點(diǎn)就是跟實(shí)際脫離比較大，其實(shí)緣由很容易解釋，就是在進(jìn)行力學(xué)性能計(jì)算的時(shí)候，整個(gè)結(jié)構(gòu)是連帶關(guān)系，上部結(jié)構(gòu)的受力必然會(huì)影響下部結(jié)構(gòu)的受力，但是理論計(jì)算的時(shí)候的相分離策略忽略了這一點(diǎn)，造成了較大的數(shù)值差距。這就要求設(shè)計(jì)人員具備扎實(shí)的理論依據(jù)，構(gòu)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(xiàng)因素，各個(gè)角度得出最佳方案。

5 構(gòu)造措施的概念設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完全依靠理論得出的設(shè)計(jì)方案在實(shí)際中存在較多問(wèn)題，甚至對(duì)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(jiàn)的荷載作用，結(jié)構(gòu)會(huì)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(huì)進(jìn)行構(gòu)造措施的設(shè)計(jì)。有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員提出的解決方案就是使用一部分對(duì)抗震有利的構(gòu)件，提高結(jié)構(gòu)的整體性以及延性。

6 結(jié)語(yǔ)

概念設(shè)計(jì)的內(nèi)容包含太多，而且需要設(shè)計(jì)人員從主觀層面上進(jìn)行各種理論的分析以及計(jì)算，合理的方案才能形成。通俗說(shuō)法就是設(shè)計(jì)人員根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)以及相關(guān)的理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)從而確定最佳方案。對(duì)于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的深度性以及優(yōu)化的正確性完全依據(jù)設(shè)計(jì)人員的專業(yè)素養(yǎng)，尤其是解決實(shí)際問(wèn)題的能力，更是依靠從事設(shè)計(jì)工作設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的累積程度。

[1] GB 50009—2001，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[2] GB 50068—2001，建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3] GB 50010—2002，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] GB 50011—2001，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5] JGJ 3—2002,J 186—2002，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[6] SAVE Internation,U.S.Govenvnent Value Engineering Requirement,home page URL:http://www.value-eng.com/about gov.html，1997:78-80.

[7] John Kelly,Steven Male.Value Management in Design and Construction[M].London, New York: E&FN Spon,1998:76-79.

Analysis on optimization methods of architectural structure design phase

Sun Zhiyong

(ShanxiCivilAirDefenseArchitecturalDesignInstitute,Taiyuan030013,China)

This paper introduced the main contents of design concept, from the structure layout, component section, foundation, structural measures and other aspects, elaborated the optimization scheme of architectural structure concept design, aimed to give full play to the function of structural members, made the architectural structure design to meet the specification requirements.

architectural structure, concept design, foundation, structure layout

1009-6825(2016)20-0039-02

2016-05-03

孫志勇(1989- )，男，助理工程師

TU318

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