發(fā)布時(shí)間：2024-01-31 16:36:26
序言：寫作是分享個(gè)人見解和探索未知領(lǐng)域的橋梁，我們?yōu)槟x了8篇的工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)樣本，期待這些樣本能夠?yàn)槟峁┴S富的參考和啟發(fā)，請盡情閱讀。
關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)；優(yōu)化；整體布局
中圖分類號：TU3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
隨著現(xiàn)代城市進(jìn)程的不斷加快，城市建筑的功能化和多元化要求也越來越高，人們在追求建筑安全和質(zhì)量可靠的基礎(chǔ)上，更加開始注重建筑的舒適度、環(huán)保性等。輕質(zhì)高新材料和新的設(shè)計(jì)理論的快速發(fā)展，和現(xiàn)代信息技術(shù)的不斷應(yīng)用，為建筑結(jié)構(gòu)的改善提供了更強(qiáng)大的技術(shù)基礎(chǔ)。建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在現(xiàn)代提倡的可持續(xù)發(fā)展和節(jié)能環(huán)保大環(huán)境背景下會越來越有必要。因此，加強(qiáng)有關(guān)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的探討，對于提高建筑結(jié)構(gòu)的良好性能和建筑的整體質(zhì)量具有非常重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。
1、建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及其原則
1.1 建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。
建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是指在符合各種特定要求和某些規(guī)范條件下，能夠使結(jié)構(gòu)的剛度、造價(jià)、重量等目標(biāo)達(dá)到最優(yōu)的設(shè)計(jì)方法。優(yōu)化設(shè)計(jì)就是在可用的設(shè)計(jì)方案和措施中選擇最為有效和高質(zhì)的方法。
結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程一般是條件-分析-搜索-最優(yōu)設(shè)計(jì)，其始終綜合性的結(jié)構(gòu)分析過程。搜索是指對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改和優(yōu)化的過程，它首先會分析設(shè)計(jì)方案能否符合各種目標(biāo)條件，如果不能，則對其進(jìn)行規(guī)則性的修改，從而逐漸接近預(yù)期目標(biāo)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)目的就是在所有的可選設(shè)計(jì)方案和措施中選擇造價(jià)最低、材料最省、最接近預(yù)期目標(biāo)的方案，這樣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)際就是在“比較和分析”基礎(chǔ)上逐步演變成“優(yōu)選和綜合”過程，這對于工程結(jié)構(gòu)質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益的提高具有重要作用。
1.2 建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的原則
1.2.1安全性。安全性是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的首要考慮因素。建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，要在設(shè)計(jì)階段、決策階段綜合考慮建筑的安全性，在保證建筑結(jié)構(gòu)安全可靠的基礎(chǔ)上開展的優(yōu)化。
1.2.2 經(jīng)濟(jì)性。建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性原則是指能夠在新的市場經(jīng)濟(jì)條件下完善資源配置，就是在建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，能夠?qū)Ω黝愘Y源材料實(shí)現(xiàn)最高的利用率和最大程度的節(jié)約，從而最大化的節(jié)省成本。此外，對于部分稀缺材料的應(yīng)用，在建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中要盡可能減少材料使用量，減少建材使用成本。
1.2.3 功能性。建筑的主要作用就是為人類提供重要的生存環(huán)境，因此建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)也是盡最大可能滿足人們的各種建筑需求?，F(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中除了要加強(qiáng)傳統(tǒng)的使用功能，還要不斷提高建筑的協(xié)調(diào)性、智能化、美觀性和舒適性等，以此不斷使最大限度的發(fā)揮建筑的功能性需求。
1.2.4環(huán)保性。環(huán)保性原則是現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)中必須重視的一條重要原則。建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)通過整體布局環(huán)保、建筑材料環(huán)保等多方面來實(shí)現(xiàn)建筑的可持續(xù)發(fā)展。在建筑的整體布局中，要在加強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)主體環(huán)保的基礎(chǔ)上，不斷改善建筑過程中廢舊材料的利用率和提高建筑未來使用中對環(huán)境的適應(yīng)。在選擇建筑材料時(shí)，應(yīng)當(dāng)在確保建筑安全性和功能性的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)對環(huán)保型材料的選取。
2、建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的具體措施
2.1結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)形式的優(yōu)化。由于基礎(chǔ)費(fèi)用占項(xiàng)目土建總造價(jià)比例較大，且其安全度通常需高于上部結(jié)構(gòu)，因此基礎(chǔ)優(yōu)化從兩方面闡述：（1）重視對地質(zhì)報(bào)告的研究分析，了解各種地基的變形特性，結(jié)合上部結(jié)構(gòu)的不同條件，通過整體的分析計(jì)算，選擇適宜的基礎(chǔ)方案；（2）重視概念設(shè)計(jì)，根據(jù)基本理論知識以及豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，分析、預(yù)見可能出現(xiàn)的各種問題，找最合理的處理方案。
2.2結(jié)構(gòu)上部形式的優(yōu)化。建筑類型和功能要求的不同決定了建筑結(jié)構(gòu)形式的不同，這里主要從三方面闡述：（1）平面布置在基本滿足建筑師設(shè)計(jì)意圖的基礎(chǔ)上，平應(yīng)盡量規(guī)則、均勻、對稱，盡量縮小質(zhì)量中心和剛度中心的差異；（2）豎向剛度在滿足建筑功能要求的前提下，宜漸變，避免突變；（3）傳力路徑力求簡潔清晰，以最直接的方式將樓面上的荷載傳遞到主梁上，再由柱，剪力墻等傳遞到基礎(chǔ)、地基。
2.3 多程序計(jì)算的比較。不同程序不同的程序，由于技術(shù)模型和計(jì)算假定的不同，計(jì)算結(jié)果會有不同。應(yīng)在設(shè)計(jì)中仔細(xì)的分析和比較多個(gè)程序的計(jì)算結(jié)果。不是簡單的應(yīng)用程序的計(jì)算結(jié)果，而是分析、比較、判斷，進(jìn)而對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行合理的調(diào)整和取用。這不僅需要結(jié)構(gòu)工程師做大量計(jì)算工作，更重要的是運(yùn)用以往工程經(jīng)驗(yàn)對計(jì)算結(jié)果做出合理有效的判斷。計(jì)算和分析清晰了，就可以作到心中有數(shù)，配筋的時(shí)候做到有的放矢，控制關(guān)鍵部位的配筋，減小不必要的配筋，不靠盲目加大配筋保證安全，而是靠計(jì)算的精準(zhǔn)保證結(jié)構(gòu)的安全并實(shí)現(xiàn)采用較小的用鋼量的目標(biāo)，從而達(dá)到優(yōu)化成本目的。
2.4 構(gòu)件截面和配筋優(yōu)化。配筋時(shí)要注意計(jì)算結(jié)果的合理取用，遵循“強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)剪弱彎，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，強(qiáng)錨固”等重要抗震概念。在滿足計(jì)算的情況下禁止隨意放大鋼筋，所選鋼筋既要綜合考慮構(gòu)件在強(qiáng)度、撓度、裂縫等方面的要求，也要兼顧施工上的方便和可操作性。
2.5 構(gòu)造措施的優(yōu)化。在通用的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，應(yīng)當(dāng)盡可能選用高質(zhì)量和高標(biāo)號的混凝土，并利用高強(qiáng)度鋼筋，以在提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上減少鋼筋用量，減小構(gòu)件截面，降低自重，減小地震力，節(jié)省成本；采用輕質(zhì)、節(jié)能、環(huán)保的內(nèi)隔墻材料，可以降低自重，減小地震力，從而減少整個(gè)結(jié)構(gòu)的鋼筋和混凝土用量。在大高層建筑中，應(yīng)當(dāng)盡量選用預(yù)應(yīng)力混凝土和型鋼混凝土作為大跨度結(jié)構(gòu)、受力銜接點(diǎn)和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的基本材料，以最大限度提高建筑的安全性和功能性。另外，要加強(qiáng)對抗震性、抗土性、抗水性材料的選擇，以減少突發(fā)性洪水、地震等自然災(zāi)害的危害。
3、結(jié)論
建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，是滿足建筑的多元化和多功能性要求的重要手段。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)在堅(jiān)持安全性、經(jīng)濟(jì)性、功能性、環(huán)保性原則的基礎(chǔ)上，不斷拓展建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施和技術(shù)，提高結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用水平和能力，以有效提升建筑結(jié)構(gòu)的整體性能和質(zhì)量。
參考文獻(xiàn)：
[1]肖燕武.淺談建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全度[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2011，06（10）：61-62.
關(guān)鍵詞:鋼筋混凝土;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);優(yōu)化
Abstract: through the reinforced concrete frame structure reasonable optimization design, can significantly less steel, concrete dosage, on the one hand, can reduce the project construction cost, on the other hand also can effectively slow building energy consumption and achieve the purpose of intensive construction, so in modern engineering construction, must vigorously promote structural optimization design method. This paper introduces the reinforcement concrete frame structural optimization design methods and steps, the reinforced concrete building structure design optimization empirical analysis.
Keywords: reinforced concrete; Structure design; optimization
中圖分類號： TU318 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號：
鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是一種用量最大也是最普通的一種結(jié)構(gòu)形式, 一般設(shè)計(jì)人員用計(jì)算機(jī)軟件分析, 很快就能得到分析結(jié)果, 如果設(shè)計(jì)人員掌握了一般的結(jié)構(gòu)優(yōu)化概念和方法, 設(shè)計(jì)人員在追求設(shè)計(jì)速度的同時(shí)就可以進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)方案, 那么通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)每年節(jié)約的建筑材料是相當(dāng)可觀的, 而且結(jié)構(gòu)整體性能也大大提高。
一、鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及步驟
1、常用的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法概述
結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)大致可以分為三類, 即尺寸優(yōu)化、性能指標(biāo)優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化。
( 1) 尺寸優(yōu)化。
對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的最簡單和最直接的做法是修改結(jié)構(gòu)單元的尺寸, 亦即在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中將結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量, 這種方法稱為結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)。運(yùn)用這種方法, 人們可以對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化, 以達(dá)到目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)的目的。但尺寸優(yōu)化不能改變原結(jié)構(gòu)的形狀和拓?fù)? 很難對原設(shè)計(jì)進(jìn)行較大的修改。
( 2) 性能指標(biāo)優(yōu)化。
常用的形狀設(shè)計(jì)方法將控制結(jié)構(gòu)形狀的某些邊界控制點(diǎn)的幾何信息取為設(shè)計(jì)變量, 由這些控制點(diǎn)生成結(jié)構(gòu)的邊界, 從而達(dá)到改變結(jié)構(gòu)的形狀, 使目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)的目的。性能指標(biāo)優(yōu)化既可以改變結(jié)構(gòu)單元的尺寸, 又可以改變結(jié)構(gòu)的形狀。
( 3) 拓?fù)鋬?yōu)化。
結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法的主要思想是將尋求結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓?fù)鋯栴}轉(zhuǎn)化為在給定的設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)尋求最優(yōu)材料的分布問題。它不僅要解決尺寸優(yōu)化問題, 還要確定結(jié)點(diǎn)間桿件的連接方式, 是結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域中更為困難、更具挑戰(zhàn)性的課題。
2、優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟
通常對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì), 可以采用建立數(shù)學(xué)模型的方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì), 即把工程實(shí)際問題用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示, 包括選定設(shè)計(jì)變量, 選擇目標(biāo)函數(shù), 建立約束方程等幾個(gè)步驟。
( 1) 給定參數(shù)。指預(yù)先給定的描述結(jié)構(gòu)特性的參數(shù)。在優(yōu)化過程中,其值是固定的, 因此可以作為常數(shù)考慮, 如荷載、柱高、梁長、彈性模量以及材料容重等一般都屬于給定參數(shù)。
( 2) 明確設(shè)計(jì)變量。優(yōu)化設(shè)計(jì)中待確定的某些參數(shù), 稱為設(shè)計(jì)變量。一個(gè)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案是由若干個(gè)量來描述的, 這些量可以是結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸, 如面積、慣性矩等幾何參數(shù), 也可以是結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù), 如結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、高度、跨度和間距等, 還可以是結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)或物理特性參數(shù), 如材料的彈性模量等。設(shè)計(jì)變量是最優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型的基本組成部分, 是最優(yōu)化設(shè)計(jì)最后所要確定的參數(shù)。
( 3) 構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)。利用設(shè)計(jì)參數(shù)描述追求目標(biāo)( 如重量、造價(jià)) 的數(shù)學(xué)表達(dá)式稱為目標(biāo)函數(shù), 也稱為直函數(shù)、評價(jià)函數(shù), 它是設(shè)計(jì)變量的函數(shù), 代表所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的某個(gè)最重要的特征或指標(biāo)。優(yōu)化設(shè)計(jì)就是要從許多的可行設(shè)計(jì)中, 以目標(biāo)函數(shù)為標(biāo)準(zhǔn), 找出這個(gè)函數(shù)的極值( 極小值或極大值) , 從而選出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。結(jié)構(gòu)的體積、造價(jià)、剛度、承載力、自振頻率等都可以根據(jù)需要作為優(yōu)化設(shè)計(jì)中的目標(biāo)函數(shù)。
( 4) 構(gòu)建約束條件。優(yōu)化設(shè)計(jì)尋求目標(biāo)函數(shù)極值時(shí)的某些限制條件, 稱為約束條件。它反映了有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范、計(jì)算規(guī)程、運(yùn)輸、安裝、施工、構(gòu)造等各方面的要求, 有的約束條件還反映了優(yōu)化設(shè)計(jì)工作者的設(shè)計(jì)意圖。
二、鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化實(shí)證分析
某工程，兩層地下室，負(fù)一層為超市，負(fù)二層為車庫（含部分人防區(qū)域），上部結(jié)構(gòu)由7 棟高層塔樓組成。施工圖完成后受業(yè)主委托，對該工程地下部分進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化咨詢。該工程優(yōu)化是針對已完成的施工圖，在不影響建筑使用功能的情況下，以滿足現(xiàn)行的國家以及地區(qū)的行業(yè)規(guī)范、規(guī)程，確保建筑物安全和抗震能力為前提，通過對該工程的結(jié)構(gòu)分方案和各類構(gòu)件的截面、配筋優(yōu)化，最大限度的降低建筑材料和人工消耗，優(yōu)化過程以定性分析為主，輔以重點(diǎn)優(yōu)化部位的定量計(jì)算分析，主要優(yōu)化內(nèi)容如下。
1、對基礎(chǔ)形式進(jìn)行優(yōu)化
原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)形式高層部分采用板式筏板基礎(chǔ)、多層和單獨(dú)地下室部分采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，因場地持力層有一定起伏，原設(shè)計(jì)為滿足基礎(chǔ)持力層的最低標(biāo)高，將基礎(chǔ)底標(biāo)高均取- 6.8m 左右，同時(shí)在- 5.200 標(biāo)高設(shè)地梁、地下室底板，導(dǎo)致基礎(chǔ)板與地下室底板間高差很小，結(jié)構(gòu)不合理，且土方開挖、回填量增加，基礎(chǔ)與地下室底板間施工難度較大。優(yōu)化設(shè)計(jì)將獨(dú)立基礎(chǔ)和筏板基礎(chǔ)頂標(biāo)高均改為- 5.200，使地下室底板頂標(biāo)高與筏板基礎(chǔ)、獨(dú)立基礎(chǔ)頂標(biāo)高一致，同時(shí)對局部基礎(chǔ)不能進(jìn)入持力層的，采用毛石回填的方法解決，優(yōu)化后基礎(chǔ)受力更加合理，同時(shí)原設(shè)計(jì)筏板基礎(chǔ)上方地梁和底板完全取消，節(jié)約了大量的鋼筋和混凝土，減少了土方工程量，也降低了施工難度。
2、對地下室抗浮設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化
關(guān)鍵詞:建筑結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；分析
中圖分類號：TU318 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
引言
建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員對所要施工的建筑的表達(dá)。而建筑是人類物質(zhì)生存環(huán)境的重要載體。近年來，節(jié)能環(huán)保型社會建設(shè)理念的不斷深入人心，進(jìn)一步加劇了建筑的需求者與供應(yīng)者對建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的需要。建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，不但滿足了投資者控制建筑投資成本的目標(biāo)，而且更加符合使用者對建筑本體功能的需求，從而實(shí)現(xiàn)了社會整體經(jīng)濟(jì)效益的最大化。因此，建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在市場經(jīng)濟(jì)下的節(jié)能環(huán)保型社會越來越成為可行。
1 建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本理論
結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)不應(yīng)僅僅在結(jié)構(gòu)本身,而是應(yīng)包括建筑的各方面,科學(xué)地確定建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)幾項(xiàng)基本原則并有效地按照這些基本原則去進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),是非常重要的。建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在建筑工程的決策階段、設(shè)計(jì)階段、建設(shè)階段。在建筑工程的決策階段，確定結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)所要達(dá)到的總體目標(biāo)，滿足本體功能，最大程度保障安全性，縮減投資成本；在建筑工程的設(shè)計(jì)階段，確定每一個(gè)子系統(tǒng)及整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化布局；在建筑工程的建設(shè)階段，以結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)為建設(shè)原則，組織建設(shè)好每一個(gè)子系統(tǒng)從而實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化布局。決策階段結(jié)構(gòu)優(yōu)化選擇是關(guān)鍵，設(shè)計(jì)階段結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是核心，建設(shè)階段結(jié)構(gòu)優(yōu)化建設(shè)是基礎(chǔ)，3 個(gè)階段互相驗(yàn)證、互為補(bǔ)充、缺一不可。建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本要求:
（1）功能性
建筑是人類的基礎(chǔ)物質(zhì)生存環(huán)境，建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的終極目標(biāo)就是為了滿足人類對物質(zhì)生存環(huán)境的最大化需求。對功能性的滿足也不再局限于傳統(tǒng)的實(shí)用，而是增添了舒適性、美觀性、協(xié)調(diào)性等多種新元素，滿足人類對基礎(chǔ)物質(zhì)生存環(huán)境的更高要求。
（2）安全性
建筑作為人類生存的基礎(chǔ)生存環(huán)境，與人類的生產(chǎn)、生活緊密相關(guān)，安全性成為建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的必然考慮因素。一味追求建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，忽略決策階段、設(shè)計(jì)階段、建設(shè)階段的安全性，其作為建筑不但沒有任何實(shí)際意義，反而會給人類正常生產(chǎn)和生活帶來致命的危害。因此，安全性是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的必然考慮因素。
（3）經(jīng)濟(jì)性
建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性是市場經(jīng)濟(jì)條件下對資源配置提出的新要求。經(jīng)濟(jì)性是指通過建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，最大化的節(jié)約各種材料資源，達(dá)到減少建設(shè)成本的目標(biāo)。另外，各種材料資源都存在一定的稀缺特性，建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)能科學(xué)合理的減少材料的使用量，節(jié)省建設(shè)材料使用成本。
（4）環(huán)保性
建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的環(huán)保性是繼經(jīng)濟(jì)性之后的一大更高要求，建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程通過材料選用品種的環(huán)保、整體布局的環(huán)保來體現(xiàn)可持續(xù)的發(fā)展理念。在建筑資源的材料選用方面，在保證建筑本體功能性、安全性的基礎(chǔ)上，最大可能的選擇節(jié)能環(huán)保型材料，同時(shí)，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的整體布局中，不僅強(qiáng)調(diào)建筑主體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一與環(huán)保，也包括建筑建設(shè)過程中廢舊材料的處理與應(yīng)用，更不能忽略建筑未來使用過程中對環(huán)境產(chǎn)生的重要影響。另外，材料選用的環(huán)保、整體布局的環(huán)保也是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中安全性的體現(xiàn)。
2 建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的策略、安全與經(jīng)濟(jì)
2.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的材料選用
基于物理學(xué)與建筑學(xué)的基本原理，建筑結(jié)構(gòu)各個(gè)點(diǎn)、線、面都呈現(xiàn)出一定的力學(xué)承載力特征，而力學(xué)承載力本身的載體就是材料，通過各種材料的配置，加強(qiáng)構(gòu)件的強(qiáng)度、剛性與延展性，鋼筋混凝土材料的打造適應(yīng)了這一趨勢。工程實(shí)踐證明，鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，梁柱是主要的承受載體，打造鋼筋混凝土梁柱能局部提高梁柱的抗壓力。因此，在工程建設(shè)實(shí)踐中，采用高標(biāo)號的鋼筋混凝土，可以減少梁柱等構(gòu)件的橫截面，減輕結(jié)構(gòu)本體的重量，同時(shí)也擴(kuò)大了使用空間；而梁板以受彎為特性，采用高強(qiáng)度鋼筋，能科學(xué)合理的減少鋼筋的使用量。另外，結(jié)構(gòu)建設(shè)者應(yīng)科學(xué)合理的匹配鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋與混凝土的投放比例，最大限度發(fā)揮鋼筋混凝土復(fù)合材料的復(fù)合特殊性能，所以在高層建筑結(jié)構(gòu)中，在結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換層、受力復(fù)雜的銜接點(diǎn)部位與大跨度結(jié)構(gòu)上，采用型鋼混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土是比較好的選擇，同時(shí)保證高層建筑功能性、安全性、經(jīng)濟(jì)性的最大化性能發(fā)揮。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建設(shè)過程中，存在非常多的鋼筋混凝土現(xiàn)澆板中混凝土標(biāo)號過高的情況，一味追求高標(biāo)號混凝土是沒有任何意義的，高標(biāo)號的混凝土無法理想發(fā)揮其強(qiáng)度性能, 反而為抵抗高強(qiáng)混凝土較大的收縮變形和滿足最小配筋率要求,板中鋼筋的配筋量卻相繼增加, 直接導(dǎo)致鋼筋的使用量增加，間接影響工程投資成本的提高。
2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的構(gòu)件布置
建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的構(gòu)件布置主要涉及梁、柱子、剪力墻的布置與設(shè)計(jì)。目前，高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大多采用框架- 剪力墻結(jié)構(gòu)體系, 這種體系由鋼筋混凝土框架和鋼筋混凝土剪力墻2 部分組成,框架的梁柱為剛接,框架與剪力墻可為剛接,也可為鉸接。高層建筑體日趨復(fù)雜,各種不同功能的建筑用房綜合在一起,組成形態(tài)各異的高層建筑,給建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)增加了一定的難度。而框架- 剪力墻結(jié)構(gòu)體系具有靈活組成使用空間的優(yōu)點(diǎn), 比較容易滿足建筑物的使用要求, 而且框架- 剪力墻結(jié)構(gòu)體系有較高的承載力,較好的延伸性和整體性,并且具備很強(qiáng)的吸收地震力的能力, 從而大大減小了結(jié)構(gòu)本身的側(cè)移。因此，在建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)踐過程中，在框架-剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,剪力墻剛度的確定除了必須滿足強(qiáng)度條件外, 還必須使結(jié)構(gòu)具有一定的側(cè)向剛度?；诖?剪力墻剛度的大小將直接影響到結(jié)構(gòu)的安全性及工程造價(jià)成本。另外，在框架- 剪力墻結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)階段,簡捷、準(zhǔn)確地確定框剪結(jié)構(gòu)中剪力墻最優(yōu)數(shù)量,即可避免重復(fù)、繁瑣的結(jié)構(gòu)剛度調(diào)整計(jì)算,還可以達(dá)到減少經(jīng)濟(jì)成本的目標(biāo)。
梁的選用與布置。常規(guī)梁經(jīng)濟(jì)性最好,但嚴(yán)重影響建筑層高，尤其是在目前土地資源有限的情況下，最終還是無法實(shí)現(xiàn)社會整體經(jīng)濟(jì)效益的最大化；寬扁梁能減少梁的截面高度,增加建筑物的凈高。在建筑物總高度限制的情況下,可以增加層數(shù),以獲得更多的建筑面積。但寬扁梁在經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上與常規(guī)梁相比并不是最優(yōu),由于y 方向截面高度減小,使得縱向鋼筋的配筋率較高,同時(shí)撓度偏大。在跨度進(jìn)一步加大的情況下,也可采用預(yù)應(yīng)力梁,以滿足建筑物的特殊要求,但費(fèi)用較高。此外，高層建筑框架柱截面大小主要由軸壓比控制, 在上部軸力一定的情況下,可以通過加大柱截面、提高混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度、加大柱箍筋、采用鋼混凝土柱等不同方法來控制柱軸壓比，最大化程度保證功能性與安全性。
2.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的整體布局
為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，建筑結(jié)構(gòu)決策者與設(shè)計(jì)者須從結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的全局觀念出發(fā)，利用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的點(diǎn)、線、面，確定建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的總體布局，處理好點(diǎn)、線、面之間的架構(gòu)關(guān)系，借助于材料的選用、構(gòu)件的布置，充分發(fā)揮單個(gè)構(gòu)件與整體結(jié)構(gòu)的配合與協(xié)調(diào)，使之能實(shí)現(xiàn)最佳受力狀況，既實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)良好的承重力、剛性與延展性，也實(shí)現(xiàn)單個(gè)構(gòu)件的最大化與最佳化利用，保證達(dá)到建筑設(shè)計(jì)的國家質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)建筑功能性、安全性與經(jīng)濟(jì)性的多重目標(biāo)。
關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；分析
1 建筑設(shè)計(jì)優(yōu)化的重要意義
使用合理的優(yōu)化方法，對建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，既能降低整個(gè)工程的造價(jià)，還能提升建筑的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，從而能夠有效提升建筑的經(jīng)濟(jì)效益。
1.1 使工程的造價(jià)降低
建筑工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在會充分的考慮到現(xiàn)行階段的建筑行業(yè)的發(fā)展趨勢來進(jìn)行剖析，根據(jù)現(xiàn)行的建筑特點(diǎn)來進(jìn)行設(shè)計(jì)，如當(dāng)前的高層建筑和高層的住宅偏多，因此其層數(shù)很多，在建筑用地面積不變的情況下建筑總面積很大，在面對高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，為了節(jié)省用地，會將建筑物的房頂進(jìn)行細(xì)致的規(guī)劃，可以保證整個(gè)工程的總造價(jià)降低，節(jié)約成本。
1.2 能夠提高建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)效益
建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要保證到建筑工程的經(jīng)濟(jì)效果，隨著建筑的層數(shù)的增加，高度也會增加，與其相關(guān)的墻體面積、柱體面積及配套的設(shè)施如管道等都會增加很多，層數(shù)比較少或者高度比較低時(shí)相應(yīng)的建筑就會節(jié)省一些這樣的荷載。同時(shí)，高度越高的建筑，相鄰之間的距離也會比較遠(yuǎn)，這樣不利于節(jié)省用地開支的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，如果讓建筑的總高度下降，那各建筑之間的距離也會靠的近一些，這樣可以節(jié)約用地。另外，相同面積的建筑之間，建筑的平面形狀不同會使得其周長不同，越規(guī)則的平面形狀其周長會小一些，并且能夠提高其荷載的性能，增強(qiáng)了建筑的質(zhì)量。優(yōu)化創(chuàng)新后的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相較于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能夠有效降低建筑的總造價(jià)，能夠有效的提高建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)效益。
2 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的具體內(nèi)容
建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)容可以分為目標(biāo)函數(shù)選擇、變量選擇、約束條件選擇三個(gè)步驟，每一個(gè)步驟都涉及到建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的一個(gè)方面的內(nèi)容。
2.1 目標(biāo)函數(shù)選擇
確定建筑結(jié)構(gòu)的目標(biāo)函數(shù)是建筑設(shè)計(jì)人員對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化創(chuàng)新設(shè)計(jì)時(shí)的第一步，通過采用相應(yīng)的技術(shù)與辦法，以建筑的面積的參數(shù)以及建筑可以達(dá)到的安全標(biāo)準(zhǔn)為前提，結(jié)合建筑建設(shè)所用的建筑材料等進(jìn)行系統(tǒng)的規(guī)劃和計(jì)算，要保證相關(guān)的參數(shù)在計(jì)算的過程中要滿足相關(guān)的需求。合理科學(xué)地選擇建筑的工程造價(jià)模式是建筑設(shè)計(jì)相關(guān)人員在建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中必須要進(jìn)行的工作，要盡量優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在保證建筑質(zhì)量的前提下，降低工程的總體造價(jià)。
2.2 變量選擇
建筑工程的設(shè)計(jì)階段，除了對建筑工程優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行正確的選擇，還要對建筑結(jié)構(gòu)的進(jìn)行變量選擇，變量的選擇對于建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也是至關(guān)重要的。變量選擇，顧名思義就是對影響建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的各種會變化的因素進(jìn)行分析和選擇，并研究其中會對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造成的影響最大的一個(gè)因素，然后在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，對其進(jìn)行評估計(jì)算以及控制其影響程度，以發(fā)揮建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的作用。
2.3 約束條件選擇
建筑工程是一個(gè)復(fù)雜而又系統(tǒng)的工程，因此在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，受許多約束條件所影響，在對建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，必須要考慮到建筑工程的約束條件、對約束條件的準(zhǔn)確判斷，能夠?qū)崿F(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的最大化。比如，在建筑設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員對結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、尺寸、應(yīng)力等等因素所存在的約束條件進(jìn)行判斷選擇，要以建筑工程的實(shí)際情況作為出發(fā)點(diǎn)，進(jìn)行科學(xué)合理的選擇，使得建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化工作具有模范性和科學(xué)性，給建筑工程的施工打好基礎(chǔ)，提高整個(gè)工程項(xiàng)目的效率和經(jīng)濟(jì)效益。
3 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的具體措施
建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法，是由建筑結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)優(yōu)化方法以及建筑結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法@兩個(gè)發(fā)面體現(xiàn)出來的。在建筑結(jié)構(gòu)整體的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，要立足整體，全面的分析總體的數(shù)據(jù)，并相互協(xié)調(diào)，確保選出最優(yōu)的優(yōu)化方法。在細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，要對建筑結(jié)構(gòu)的各個(gè)方面進(jìn)行剖析，合理劃分為不同的部分，逐個(gè)解決相關(guān)的選型、布置、造價(jià)等幾個(gè)部分的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)降低工程造價(jià)的目標(biāo)。
（1）拓?fù)鋬?yōu)化法。拓?fù)鋬?yōu)化法，就是通過在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化過程中，結(jié)合建筑自身的特點(diǎn)以及實(shí)際的用途和情況，正確找到理想化的建筑結(jié)構(gòu)分布形式，全面的分析建筑結(jié)構(gòu)的剛度和其他與結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的屬性，來減少建筑結(jié)構(gòu)自身的重量，從而提升建筑的性能。設(shè)計(jì)人員要充分掌握以及了解拓?fù)浞治龇椒ǖ膬?yōu)點(diǎn)，合理運(yùn)用拓?fù)浞治龇椒?，使得設(shè)計(jì)出來的建筑結(jié)構(gòu)擁有很強(qiáng)的邏輯性。
（2）截面優(yōu)化法。截面結(jié)構(gòu)的可靠性以及安全性是建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)相關(guān)人員必須要考慮的一個(gè)重要方面。截面結(jié)構(gòu)作為建筑結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)所在，其性能是最能體現(xiàn)出建筑的整體性能的。在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，為了保證截面結(jié)構(gòu)的的可靠性與安全性，設(shè)計(jì)人員要對建筑結(jié)構(gòu)中所涉及的界面進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算，然后再進(jìn)行設(shè)計(jì)，不僅可以提升建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，還可以提高建筑的美觀程度。具體的方法有，可利用有限元方法來計(jì)算設(shè)計(jì)變量的結(jié)構(gòu)位移情況以及應(yīng)力特點(diǎn)，然后用計(jì)算設(shè)備對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)算和分析，得出結(jié)果后，根據(jù)其需求調(diào)整，確定調(diào)整的范圍，在此范圍中再進(jìn)行區(qū)域優(yōu)化設(shè)計(jì)。
（3）外形優(yōu)化法。外形優(yōu)化是在界面優(yōu)化的基礎(chǔ)上進(jìn)行完善的，以達(dá)到更好提升建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量的目的。在對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行外形優(yōu)化時(shí)，相關(guān)人員要對建筑的整體情況掌握得很清楚，再根據(jù)我國現(xiàn)行的建筑柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在掌握的建筑的情況的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。建筑結(jié)構(gòu)的外形特征就是利用外形優(yōu)化法來進(jìn)行劃分的。外形優(yōu)化方法在實(shí)際的實(shí)施過程中，通常會采用連續(xù)性結(jié)構(gòu)與桿系結(jié)構(gòu)。建筑結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)選取是桿系結(jié)構(gòu)的重要環(huán)節(jié)，節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)在選取好后，要將其作為設(shè)計(jì)的一個(gè)變量，來實(shí)現(xiàn)建筑外形優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)及需求。
（4）細(xì)節(jié)部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與概念設(shè)計(jì)相結(jié)合。概念設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，是在比較缺乏詳細(xì)的相關(guān)數(shù)據(jù)的情況下進(jìn)行的。某些因素是具有不確定性的，比如地震，在對建筑的抗震能力進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，由于缺乏詳細(xì)的數(shù)據(jù)，只能通過概念設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法，將一些存在的數(shù)據(jù)當(dāng)作輔助來進(jìn)行。同時(shí)，通過結(jié)合上訴的一些結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，使得優(yōu)化效果更佳。另外，在設(shè)計(jì)的過程中，對建筑結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是必須要做的工作，如現(xiàn)澆混凝土施工過程中，異形板料的彎曲部分容易開裂是一個(gè)比較突出的問題，對此我們將其進(jìn)行簡化，然后再選擇鋼筋，這樣能有效的降低混凝土出現(xiàn)開裂現(xiàn)象的幾率，不僅提高了經(jīng)濟(jì)效益，最重要的是滿足了建筑結(jié)構(gòu)的基本需求。
（5）對地基結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。對建筑的地基進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)也是優(yōu)化整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)的有效方法。選擇合適的方案對于地基的結(jié)構(gòu)優(yōu)化來說很重要，例如，樁基類型的選擇，要以實(shí)際的施工情況為準(zhǔn)，并實(shí)現(xiàn)降低造價(jià)的目標(biāo)，然后以樁端持力層的厚度為參考，選擇科學(xué)合適的灌注樁長度，且對不同的優(yōu)化方案進(jìn)行集中對比，盡量使得選擇的方案是最佳的。再比如，樁筏基礎(chǔ)是某建筑結(jié)構(gòu)的原有設(shè)計(jì)方案，通過把該設(shè)計(jì)利用的樁筏基礎(chǔ)改為樁基礎(chǔ)的優(yōu)化方法，設(shè)置不同的承臺，在此優(yōu)化中，在保證總的沉降值和不均勻沉降值的前提下，顧及到的是基礎(chǔ)傳力的傳遞路勁越短會越省材料的原因。與樁筏基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案相比，樁基礎(chǔ)是一個(gè)更好的選擇。
4 結(jié)束語
綜上所述，建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠使得建筑質(zhì)量更好、更加美觀、降低工程造價(jià)以及提升建筑的經(jīng)濟(jì)效益，在建筑行業(yè)競爭激烈的今天能夠提高企業(yè)的競爭力，也能夠?yàn)槿藗儙砀邪踩Ｕ虾唾|(zhì)量保障的建筑物，因此其在建筑工程中是一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)。但在建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在實(shí)際的實(shí)施過程中，是比較復(fù)雜的，需要多方面的出發(fā)，充分結(jié)合實(shí)際的情況選擇科學(xué)合理的方案，以實(shí)現(xiàn)對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行最佳的優(yōu)化目標(biāo)。
參考文獻(xiàn)
[1]李貴江.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)新方法探析[J].江西建材，2017（01）.
【關(guān)鍵詞】 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化；建筑設(shè)計(jì)應(yīng)用
傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)際上指的是結(jié)構(gòu)分析，其過程大致是假設(shè)-分析-校核-重新設(shè)計(jì)。重新設(shè)計(jì)的目的也是要選擇一個(gè)合理的方案，但它只屬分析的范疇；且只能憑設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)作很少幾次重復(fù)以通過“校核”為滿足。結(jié)構(gòu)優(yōu)化指的是結(jié)構(gòu)綜合，其過程大致可歸納為：假定-分析-搜索-最優(yōu)設(shè)計(jì)四個(gè)階段。其中的搜索過程是修改并優(yōu)化的過程。它首先判斷設(shè)計(jì)方案是否達(dá)到最優(yōu)（包括滿足各種給定的條件），如若不是，則按某種規(guī)則進(jìn)行修改，以求逐步達(dá)到預(yù)定的最優(yōu)指標(biāo)。[7]
一、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的理論基礎(chǔ)
在工程項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，需要認(rèn)真考慮的問題有很多，最終要實(shí)現(xiàn)的目的是需要在設(shè)計(jì)對象基本適用功能和安全可靠性有一定保障的基礎(chǔ)上，更好地設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)對象，使其達(dá)到最佳效果。在此基礎(chǔ)上，工程和結(jié)構(gòu)最優(yōu)化的問題就必須要引起重視。
從建筑理論上分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法可以得知，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，其一是房屋工程部分結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，其二是房屋工程結(jié)構(gòu)總體的優(yōu)化設(shè)計(jì)。后者的優(yōu)化設(shè)計(jì)包括：屋蓋系統(tǒng)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)細(xì)部設(shè)計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。穿插其中的，還包含選型、布置、受力分析、造價(jià)分析等項(xiàng)目，在實(shí)施過程中，應(yīng)遵循一定的原則，結(jié)合具體工程的實(shí)際情況，從實(shí)際出發(fā)，圍繞房屋建筑的綜合經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。
在設(shè)計(jì)安全被保證的情況下，建筑師應(yīng)開拓創(chuàng)新，挑戰(zhàn)新的結(jié)構(gòu)形式。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，建筑師的設(shè)計(jì)意圖應(yīng)能夠得到基本滿足，應(yīng)設(shè)置盡量符合規(guī)則的平面布局，使其對稱；同時(shí)縮小質(zhì)量中心和剛度中心的差異，使建筑物在水平荷載作用下不致于產(chǎn)生太大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。在豎直方向的布置上，應(yīng)確保在滿足功能要求的情況下，盡最大可能貫通豎向的承重構(gòu)件；為使結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)上的難度不致于太大，減少不必要的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)，使應(yīng)力分散，轉(zhuǎn)化層應(yīng)盡可能少地使用；豎直方向的剛度要漸變，而不要突變，如若不然，在水平荷載作用下，突變處會產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，這是非常不利于結(jié)構(gòu)抵抗水平動力荷載的。
二、優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)在實(shí)踐中的應(yīng)用
在優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)好以后，就可以在實(shí)踐中融入這種理論方法。當(dāng)前，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化屬于一個(gè)較為普遍的課題，在能夠充分利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法而且其適用性能不出現(xiàn)改變的基礎(chǔ)上，使工程造價(jià)目的得以實(shí)現(xiàn)，在實(shí)踐中充分地運(yùn)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，對于我國建筑工程設(shè)計(jì)人員而言，是很有必要的，也是很重要的。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)在項(xiàng)目的整體設(shè)計(jì)、前期設(shè)計(jì)、舊房改造以及抗震設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)中，能夠產(chǎn)生巨大的效益。在結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法以及模型的基礎(chǔ)進(jìn)行實(shí)踐，一定要注意一下三方面的問題：在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的前期工作中積極參與，優(yōu)化概念設(shè)計(jì)和細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對下部的地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。下面就針對這三方面開展進(jìn)一步的分析和討論：
1.在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的前期工作中積極參與
由于前期方案的確定與建筑的總投資之間有著直接的關(guān)系，而現(xiàn)在存在的普遍問題就是前期方案階段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并不參與其中，建筑師在實(shí)施建筑設(shè)計(jì)的時(shí)候，通常情況下都不對結(jié)構(gòu)的合理性以及其可行性進(jìn)行充分地考慮和分析，但是建筑設(shè)計(jì)的結(jié)果對于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，能夠產(chǎn)生直接影響，有一些方案可能會使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度有所增加，在此基礎(chǔ)上會使建筑的總投資得以提升。若是在方案初期，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)就能夠參與到其中，那么我們就能夠依據(jù)不同的建筑類別，將合理的結(jié)構(gòu)形式和合理的設(shè)計(jì)方案選擇出來，從而有一個(gè)好的開始。
2.優(yōu)化概念設(shè)計(jì)和細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
針對那些沒有具體數(shù)值量化的情況，概念設(shè)計(jì)是最佳的選擇，例如，地震防烈度的設(shè)置，由于它具有一定的不確定性，計(jì)算式與現(xiàn)實(shí)之間難免會存在一定的差距，在設(shè)計(jì)過程中，概念設(shè)計(jì)的方法是比較適用的，將數(shù)值作為輔助參考資料。在設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員需要能夠?qū)Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法靈活充分地運(yùn)用，從而達(dá)到最佳效果。
3.對下部的地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化
在地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化過程中，合適方案的選擇是很重要的，若是樁基礎(chǔ)，那么就需要與現(xiàn)場地質(zhì)條件相結(jié)合，將樁基類型合理地選擇出來，使造價(jià)得到最大程度地節(jié)省。樁端持力層會對灌注樁樁長的選擇產(chǎn)生一定的影響，在這種情況下，應(yīng)該多比較，最終確定最佳方案。
例如：某中學(xué)藝體館，三層22m跨大梁采用后張有粘接預(yù)應(yīng)力新技術(shù)，解決了跨度大、荷載大的問題；梁截面400*1500mm，選用后張有粘接部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁，預(yù)應(yīng)力鋼筋
3-7∮5，利用荷載平衡法平衡恒載+1/4活載，以保證在無荷載時(shí)不至于反拱過大。
三、結(jié)論
對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的技術(shù)方法進(jìn)行充分有效地利用，可以使有限的空間、有限的資源得到一定程度的提升，從而使其的效果得到最大化的發(fā)揮，在此基礎(chǔ)上，經(jīng)濟(jì)化、實(shí)用性以及適用性的目標(biāo)得到有效實(shí)現(xiàn)。在這種情況下，建筑產(chǎn)品的品質(zhì)要求實(shí)現(xiàn)了不斷提升，從而使人，們對居住條件以及生活環(huán)境的要求得以實(shí)現(xiàn)，與此同時(shí)，建筑商滿足顧客需求的手段也實(shí)現(xiàn)不斷更新的目的，最終使建筑工程造價(jià)成本的目標(biāo)得到有效地降低。
參考文獻(xiàn)
[1] 盧亦焱，黃銀燊，唐紅.房屋加層外套框架結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào). 2009（04）
[2] 馬臣杰，張良平，范重.優(yōu)化技術(shù)在深圳京基金融中心中的應(yīng)用[J].建筑結(jié)構(gòu). 2009（S1）
[3] 張紅友.優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 減少建設(shè)投資成本[J].陜西建筑. 2008（11）
[4] 肖偉.通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提高房屋抗震性能[J].福建建筑. 2008（11）
[5] 姚琦泓.概念設(shè)計(jì)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].商品儲運(yùn)與養(yǎng)護(hù). 2008（06）
（長沙市規(guī)劃設(shè)計(jì)院，長沙410007）
摘要：建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)對于項(xiàng)目的成本控制起著重要的作用。在建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中引入價(jià)值工程理論，通過功能成本分析，將技術(shù)問題與經(jīng)濟(jì)問題緊密結(jié)合，以最低的成本費(fèi)用，可靠地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的必要功能，從而提高產(chǎn)品的價(jià)值，彌補(bǔ)設(shè)計(jì)工作的不足。本文通過價(jià)值工程在建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的使用，說明價(jià)值工程在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的意義，確保有效優(yōu)選。
關(guān)鍵詞 ： 建筑結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；價(jià)值工程
中圖分類號：TU2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2015）24-0130-02
作者簡介：羅利波（1978-），男，湖南長沙人，高級工程師，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及加固。
1 建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)概述
1.1 傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法
傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，過程大致是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給出一個(gè)設(shè)計(jì)方案和做法，用力學(xué)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)及構(gòu)件是否滿足規(guī)范規(guī)定的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、使用等方面的要求，或通過對少數(shù)幾個(gè)方案進(jìn)行比較而選出可用方案。通常的步驟是假設(shè)、分析、校核、重新設(shè)計(jì)。
1.2 建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
我國建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論研究始于六十年代，1973年錢令希教授發(fā)表《結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的近展》，將數(shù)學(xué)規(guī)劃法和準(zhǔn)則法結(jié)合在一起，假定結(jié)構(gòu)構(gòu)件處于滿應(yīng)力狀態(tài)，分別對構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化。由于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要性，很多學(xué)者對結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)做出大量的研究，使結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論研究不斷發(fā)展。1982年，錢令希教授在《我國結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的現(xiàn)況》中詳細(xì)總結(jié)了這十年的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究和應(yīng)用方面的成果，為我國進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究指明方向。2001年，大連召開第四屆WCSMO會議，30多個(gè)國際200多位學(xué)者參加了會議，會議內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)與多學(xué)科問題的靈敏度計(jì)算、分析計(jì)算、優(yōu)化設(shè)計(jì)及其工程應(yīng)用等。
目前，建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要指結(jié)構(gòu)綜合與優(yōu)選，過程大致是假設(shè)、分析、修改設(shè)計(jì)、最優(yōu)設(shè)計(jì)，這種修改設(shè)計(jì)是在滿足各種規(guī)范或特定要求的條件下，通過優(yōu)化方法，從管理、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)各方面綜合考慮，采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化程序、應(yīng)用優(yōu)化理論方法，找出最優(yōu)級的方案（材料最省、造價(jià)最低、或某些指標(biāo)最佳的方案），以達(dá)到最優(yōu)目標(biāo)。
1.3 大師對建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的看法
中國工程院院士江歡成：“我國優(yōu)化設(shè)計(jì)工作方興未艾，大有可為。它符合可持續(xù)發(fā)展和科教興國兩大戰(zhàn)略，它是我國建設(shè)方針的體現(xiàn)，是科學(xué)發(fā)展觀在建筑行業(yè)中的落實(shí)。優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，私企、民企對此態(tài)度積極，國企相對不夠重視。建議政府給予支持”。
中國工程院院士程耿東：“在建筑領(lǐng)域應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅可行而且十分符合節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展觀。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)作為一種基于計(jì)算機(jī)的快速自動設(shè)計(jì)過程，可以在滿足規(guī)范等約束條件下得到優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案，降低成本造價(jià)，提高結(jié)構(gòu)性能。增大使用空間，縮短施工工期，是設(shè)計(jì)者追求的終極目標(biāo)，在建筑領(lǐng)域應(yīng)用和推廣結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)更有著不同尋常的意義，對設(shè)計(jì)單位、開發(fā)商、百姓都是好消息，它是惠及百姓的環(huán)保設(shè)計(jì)理念，具有前瞻性，會帶來多贏”。
2 運(yùn)用價(jià)值工程優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
價(jià)值工程，是一門技術(shù)與經(jīng)濟(jì)相結(jié)合的現(xiàn)代管理科學(xué)，是通過對產(chǎn)品的功能與費(fèi)用系統(tǒng)分析，使之以最低的壽命周期成本，可靠地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的必要功能的管理方法。運(yùn)用這種方法，通過功能細(xì)化，去掉多余的功能，對功能實(shí)施重點(diǎn)控制，目的是以研究對象的最低壽命周期成本可靠地實(shí)現(xiàn)使用者所需功能，以獲取建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益、社會效益以及環(huán)境效益的最佳結(jié)合。
價(jià)值工程以功能分析為核心，著眼于建筑產(chǎn)品的壽命周期成本。建設(shè)費(fèi)用、使用費(fèi)用與功能水平的變化規(guī)律決定了壽命周期成本（圖1），隨著功能水平提高，建筑產(chǎn)品的使用費(fèi)用降低，建設(shè)費(fèi)用卻在增高，反之，使用費(fèi)用增高，建設(shè)費(fèi)用降低；建設(shè)費(fèi)用C1的曲線和使用費(fèi)用C2的曲線的交點(diǎn)所對應(yīng)的最低壽命周期成本Cmin才是最低的，最低壽命周期成本Cmin所對應(yīng)的功能水平F0是從費(fèi)用方面考慮的最為適宜的功能水平。
價(jià)值工程的目標(biāo)表現(xiàn)為產(chǎn)品價(jià)值的提高，是對象所具有的功能與獲得該功能的費(fèi)用之比，可用公式表示為：價(jià)值（V）=功能（F）/成本（C）。
提高產(chǎn)品價(jià)值的途徑：
某住宅小區(qū)在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)前對方案對比優(yōu)化設(shè)計(jì)。該工程場地穩(wěn)定，無不良地質(zhì)作用。場地類型為軟弱場地土，建筑場地類別屬II類，擬建場地可不考慮地震液化的影響。場地自上而下各地層為：
①素填土①：平均層厚10.78m，結(jié)構(gòu)松散，未完成自重固結(jié)，局部有建筑垃圾分布，承載力低。
②粉質(zhì)粘土②：分布連續(xù)，埋深大，層厚0.90m~5.00m，可塑~硬塑，稍濕，不宜選擇該層作為擬建多層建筑物基礎(chǔ)持力層，fa=240kPa。
③強(qiáng)風(fēng)化板巖③：厚度較大，巖心呈塊狀，遇水易軟化，失水易干裂，fa=340kPa，qpa=2100kPa（人工挖孔灌注樁），qpa=2500kPa（沉管夯擴(kuò)灌注樁）。地下水：主要類型為強(qiáng)風(fēng)化板巖③基巖裂隙水，微承壓性，該段地下水水量較少。在勘察期間，穩(wěn)定地下水位埋深為5.32~13.20m，高程為52.77m~59.36m。擬建場地有一層地下室。地下水在直接臨水或強(qiáng)透水層中對混凝土具有中等腐蝕性，在弱透水層中不具腐蝕性；對鋼結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性。
可選樁型及優(yōu)缺點(diǎn)：
①沉管夯擴(kuò)灌注樁，優(yōu)點(diǎn)：在樁端處夯出擴(kuò)大頭，單樁承載力較高；樁身質(zhì)量高；施工機(jī)械輕便；施工速度快、工期短、造價(jià)低；無泥漿排放。缺點(diǎn)：遇中間硬夾層，樁管很難沉入；遇承壓水層，成樁困難；振動較大，噪聲較高；屬擠土樁，設(shè)樁時(shí)對周邊建筑物和地下管線產(chǎn)生擠土效應(yīng)；擴(kuò)大頭形狀很難保證與確定。
②預(yù)應(yīng)力管樁，優(yōu)點(diǎn)：單樁承載力高；單樁承載力造價(jià)便宜；運(yùn)輸?shù)跹b方便；施工快、工效快，工期短。缺點(diǎn)：噪音大，擠土量大，會造成一定的環(huán)境污染和影響；打樁時(shí)送樁深度受限制，在深基坑開挖后截去余樁較多；在“上軟下硬、軟硬突變”的地質(zhì)條件下，不宜采用錘擊法施工；不適合樁端持力層為遇水易軟化的風(fēng)化巖層。
③長螺旋鉆孔灌注樁，優(yōu)點(diǎn)：不受地下水位的限制，穿透力強(qiáng)，施工過程無噪音，振動小、無排漿、無塌孔，成樁效率高。缺點(diǎn)：樁身強(qiáng)度不足；樁底不能入巖，單樁承載力低。
④人工挖孔樁，優(yōu)點(diǎn)：單樁承載力高；可以極大降低生產(chǎn)成本；適用于大型機(jī)械無法作業(yè)的山區(qū)；生產(chǎn)條件要求低，可多孔同時(shí)作業(yè)。缺點(diǎn)：機(jī)械化低，施工進(jìn)度慢；成孔質(zhì)量不易控制；現(xiàn)場施工不易控制。人工挖孔樁技術(shù)適合直徑超過800mm并且地下水較少或無水的土質(zhì)，不適合地下水位高、有流沙、大水量沖擊區(qū)域、含水量多的淤泥、淤泥質(zhì)土層等。
⑤旋挖樁，優(yōu)點(diǎn)：鉆進(jìn)能力強(qiáng)；不易產(chǎn)生泥皮，有利于增加樁的摩阻力，提高樁的質(zhì)量；振動與噪音較低；成孔速度快，尤其在砂質(zhì)土內(nèi)成孔；機(jī)械設(shè)備較簡單。缺點(diǎn)：護(hù)壁相對較差，容易縮徑、塌孔；設(shè)備價(jià)格昂貴，設(shè)備維修費(fèi)用高、時(shí)間長，工成本與其他成孔方式相對較高，卵砂石層中鉆進(jìn)存在成孔困難。
以上5種方案，各有優(yōu)缺點(diǎn)。利用價(jià)值工程理論，①、④兩種方案更具經(jīng)濟(jì)性，滿足功能不變化同時(shí)降低造價(jià)，以此來提高產(chǎn)品價(jià)值。本工程多為墻下線荷載及柱下集中荷載，其墻柱荷載為5000kN~8000kN，2600kN~5600kN（純地下室的框架柱），依據(jù)價(jià)值工程理論綜合比較采用人工挖孔樁基礎(chǔ)，以強(qiáng)風(fēng)化板巖③為持力層，該持力層的樁的端阻力特征值為qpa=2100kPa，樁端進(jìn)入持力層的深度大于等于≥1.0m，相鄰樁端底標(biāo)高應(yīng)按規(guī)范進(jìn)行控制，平均樁徑為0.9~1.5不等（主樓部分），0.9~1.0不等（純地下室部分）；擴(kuò)底直徑分別為1.3~2.4m（主樓部分），1.3~1.6m（純地下室）。施工完成后經(jīng)濟(jì)效果良好。
3 結(jié)語
價(jià)值工程著重產(chǎn)品功能的分析，以最低的成本費(fèi)用，可靠地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的必要功能，提高產(chǎn)品價(jià)值，而這可以彌補(bǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的不足。所以，價(jià)值工程在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化中的運(yùn)用，能夠很好地解決工程成本的控制，優(yōu)選出最佳的設(shè)計(jì)方案。價(jià)值工程存在于項(xiàng)目進(jìn)行的方方面面，設(shè)計(jì)、施工以及管理等等，不能只靠個(gè)別人員、部門，而要通過有組織的活動，發(fā)揮集體智慧，經(jīng)過多個(gè)部門的配合，才能收到良好的效果，達(dá)到項(xiàng)目的利益最大化。
參考文獻(xiàn)：
[1]錢令希.我國結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的現(xiàn)況[J].大連工學(xué)院學(xué)報(bào)，1982（03）:1-5.
[2]張炳華，侯昶.土建結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，1998.
[3]蔡新，郭興文，張旭明.工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[M].北京:中國水利水電出版社，2003.
[4]李芳，凌道盛.工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的現(xiàn)況[J].工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2002（12）:229-235.
[5]江歡成.優(yōu)化設(shè)計(jì)的探索和實(shí)踐[J].建筑結(jié)構(gòu)，2006（06）:1-24.
[6]程耿東，李剛.基于功能的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中一些問題的探討[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2000（01）:5-11.
（合肥通用機(jī)械研究院；合肥通用職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230031）
摘 要：大型金屬擠壓機(jī)是國民經(jīng)濟(jì)的一種基礎(chǔ)設(shè)備，其運(yùn)用已延伸各個(gè)領(lǐng)域.本文以結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論為基礎(chǔ)，建立前梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，利用ANSYS有限元分析軟件結(jié)合MATLAB中遺傳優(yōu)化函數(shù)實(shí)現(xiàn)對金屬擠壓機(jī)前梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)，求解出最佳結(jié)果.
關(guān)鍵詞 ：結(jié)構(gòu)優(yōu)化；擠壓機(jī)；ANSYS；遺傳算法
中圖分類號：TH12 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-260X（2015）05-0185-02
1 緒言
金屬擠壓機(jī)是實(shí)現(xiàn)金屬擠壓加工的最主要設(shè)備，其利用金屬塑性壓力成形的重要特點(diǎn)，將金屬錠坯一次加工成管、棒、型材，現(xiàn)代鐵路、飛機(jī)、艦船快艇等各個(gè)領(lǐng)域所使用的骨干材料，幾乎都與擠壓加工密切相關(guān).傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)員往往優(yōu)先考慮安全，優(yōu)先選擇保守的安全系數(shù)，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)笨重，造成材料的極大浪費(fèi)，經(jīng)濟(jì)成本高昂.因此采用現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計(jì)理論方法，對擠壓機(jī)的進(jìn)行參數(shù)化建模、有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，成為主要設(shè)計(jì)方法, 本文在滿足前梁結(jié)構(gòu)要求的前提下通過優(yōu)化設(shè)計(jì)獲得前梁結(jié)構(gòu)重量最小的目標(biāo).
2 金屬擠壓機(jī)的結(jié)構(gòu)
臥式擠壓機(jī)由擠壓機(jī)本體、液壓傳動與控制系統(tǒng)、機(jī)械化設(shè)備、擠壓機(jī)自動檢測與控制裝置和電氣控制系統(tǒng)等組成.擠壓機(jī)本體由組合框架、主工作缸、側(cè)缸、擠壓梁裝置、擠壓筒裝置、擠壓筒鎖緊缸、移動模架裝置、快換模裝置、下導(dǎo)向架裝置等部件構(gòu)成[1].
擠壓機(jī)本體的受力框架由整體式前梁和后梁、圓柱拉桿和拉桿螺母、方形壓套（焊接結(jié)構(gòu)）組成一個(gè)封閉的預(yù)應(yīng)力組合框架.本文研究的是60MN的臥式擠壓機(jī)，采用臥式三梁四柱外置穿孔系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在前、后梁之間加上圓柱形承壓構(gòu)件，構(gòu)成預(yù)緊力結(jié)構(gòu).
3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)
3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟
現(xiàn)代的優(yōu)化設(shè)計(jì)采用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)步驟通常分為確定優(yōu)化目標(biāo)、建立優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型、選擇優(yōu)化方法、優(yōu)化程序的編寫、優(yōu)化求解和結(jié)果評價(jià)五個(gè)步驟[2].工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)問題轉(zhuǎn)化為全面、準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)問題是優(yōu)化設(shè)計(jì)的核心，能否建立合理、有效的數(shù)學(xué)模型對優(yōu)化設(shè)計(jì)起到至關(guān)重要.
3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型
優(yōu)化設(shè)計(jì)問題通常包括一個(gè)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和多個(gè)約束條件，在滿足約束條件的前提下，調(diào)整設(shè)計(jì)變量X，最終確定目標(biāo)函數(shù)f（X）的最小值或者最大值，數(shù)學(xué)模型表達(dá)形式如下：
目標(biāo)函數(shù):
3.3 遺傳算法
遺傳算法（Genetic Algorithm）是一種借鑒生物界自然選擇和自然遺傳的規(guī)律演化而來的隨機(jī)化搜索方法，它模擬自然選擇和自然遺傳過程中發(fā)生的繁殖、交叉和基因突變現(xiàn)象，在每次迭代中都保留一組候選解，并按照某種指標(biāo)從解群中選取較優(yōu)的個(gè)體，利用遺傳算子對這些個(gè)體進(jìn)行組合，產(chǎn)生新一代的候選解群，重復(fù)實(shí)現(xiàn)優(yōu)勝劣汰的進(jìn)化過程，直到滿足某種收斂指標(biāo)，逼進(jìn)最優(yōu)解為止[2].這種啟發(fā)式算法具有更好的全局尋優(yōu)能力，通常用來生成有用的解決方案來優(yōu)化和搜索問題.
4 基于遺傳算法的前梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)
本文結(jié)合ANSYS有限元軟件，運(yùn)用MATLAB軟件遺傳算法對金屬擠壓機(jī)前梁進(jìn)行優(yōu)化.
4.1 設(shè)計(jì)變量的選取
擠壓機(jī)前梁優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)在滿足強(qiáng)度求得最小重量的前梁結(jié)構(gòu)，因前梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)較多，根據(jù)需要，選定7個(gè)設(shè)計(jì)變量，用矩陣表示為X=[X1,X2,X3,X4,X5,X6,X7]，如式5所示.
5 優(yōu)化結(jié)果
經(jīng)過計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)，擠壓機(jī)前梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量較優(yōu)化前下降了20%，從603.75T下降到483.1T（表2），提高了材料的利用率；工作時(shí)最大應(yīng)力值從50.8MPa下降到49.6MPa，工作時(shí)最大位移量從0.01778mm下降到0.00198mm，通過ANSYS有限元優(yōu)化前后分析云圖（圖2~圖5）對比，優(yōu)化以后的前梁應(yīng)力分布更加均勻.
6 小結(jié)
本文選擇金屬擠壓機(jī)前梁結(jié)構(gòu)作為優(yōu)化目標(biāo)，在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下建立數(shù)學(xué)模型，采用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化，并運(yùn)用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析，通過優(yōu)化前后對比，優(yōu)化后前梁應(yīng)力質(zhì)量減輕了20%，提高了材料的利用率，應(yīng)力分布更均勻，結(jié)果表明這種方法是可行的.
參考文獻(xiàn)：
〔1〕肖剛，蕭今聲.我國的鋁擠壓材與鋁擠壓機(jī)[J].輕金屬加工技術(shù)，2010（9）：1-4.
〔2〕李敏.大型擠壓機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].燕山大學(xué)，2012.
〔3〕李紅芳.混沌遺傳算法與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].天津：天津大學(xué)，2004.6-7.
關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化；方法；應(yīng)用；合理
Abstract: the structure design optimization is currently a common topic, to use structure optimization method of not changing the applicable under the premise of performance to reduce project cost purpose, structure design optimization method will be used in the practice in, this is our construction engineering design personnel by the pursuit of the goal. In this paper the author combined with engineering practice to the structure design optimization method and the application in building design is discussed.
Keywords: structure optimization design; Methods; Application; reasonable
中圖分類號：S611文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：
結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)思想是目前國內(nèi)外比較有價(jià)值的一套理論系統(tǒng)。運(yùn)用該理論方法，實(shí)現(xiàn)人民對于居住環(huán)境和生活環(huán)境的改善，提高建筑產(chǎn)品的質(zhì)量與品味，滿足小康社會人們對新生活的需求，同時(shí)降低工程建筑的造價(jià)成本，實(shí)現(xiàn)建筑商利潤最大化的目標(biāo)。
一 、研究結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的現(xiàn)實(shí)意義
從目前建筑市場來看，每一個(gè)建筑商都希望在滿足建筑結(jié)構(gòu)長遠(yuǎn)效益的前提下，能最大程度地減少建筑結(jié)構(gòu)的近期投資，同時(shí)保證建筑物結(jié)構(gòu)的可靠度和科學(xué)合理性。如此，才能實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)更多、更大的市場收益。與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相比，采用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法可以使建筑工程造價(jià)降低6%-34%。優(yōu)化方法的技術(shù)性實(shí)現(xiàn)，可以最合理的利用材料性能，使建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部各單元得到最好的協(xié)調(diào)，不僅可以實(shí)現(xiàn)建筑美觀、實(shí)用，而且在造價(jià)方面也有較大的節(jié)省，達(dá)到了建筑工程設(shè)計(jì)對適用、安全、經(jīng)濟(jì)、美觀和便于施工的一般要求。通過使用優(yōu)化設(shè)計(jì)手段，達(dá)到這5個(gè)方面的最佳結(jié)合，符合現(xiàn)今建筑商對于建筑結(jié)構(gòu)的效益的需求，也符合市場可持續(xù)發(fā)展的需求。
二 、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法
2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)首先要從概念設(shè)計(jì)著手
在每一個(gè)工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)的開始，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)善解建筑師的心意和業(yè)主的要求，針對所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)體系功能及其受力變形特性的整體概念和判斷力，并根據(jù)建筑物所在的地理環(huán)境條件、材料、施工條件和造價(jià)等等去不斷地探索、比較、反饋，確定一個(gè)合理的結(jié)構(gòu)方案，選擇一個(gè)合理的結(jié)構(gòu)形式，這樣才能為設(shè)計(jì)出一個(gè)既安全又經(jīng)濟(jì)的建筑作品奠定基礎(chǔ)，也為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)獲得一個(gè)良好的開端。
2.2 選擇結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算方案
結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是在各種變量參數(shù)中選擇主要的參數(shù)，并為其建立函數(shù)模型，運(yùn)用合理科學(xué)的方法計(jì)算出最優(yōu)解。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是個(gè)非線性的優(yōu)化問題，在設(shè)計(jì)中涉及到多個(gè)變量和多個(gè)約束條件，設(shè)定好計(jì)算方案，通常是將約束條件變?yōu)闊o約束條件來計(jì)算。拉式乘子法、符合刑法和POWELL等方法是常用的計(jì)算方法，在完成了相應(yīng)的計(jì)算方案后再進(jìn)行編程運(yùn)算即可完成最終的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。
三 、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
以目前民用建筑中常見的鋼筋混凝土高層建筑為例：
3.1 結(jié)構(gòu)選型對結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要性
結(jié)構(gòu)選型是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的首要環(huán)節(jié)，必須慎重對待。選擇合理的結(jié)構(gòu)形式對結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)有著很大的作用。設(shè)計(jì)過程中需要設(shè)計(jì)人員靈活的運(yùn)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法，對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中結(jié)構(gòu)所用材料、選型、各種材料荷載加以整體分析考慮，如在主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)選型：如磚混、框架、框架－剪力墻、筒體結(jié)構(gòu)和大跨結(jié)構(gòu)等都具有指導(dǎo)性意義。在處理協(xié)同受力方面需要做到各結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力均勻，傳力簡捷、明確、應(yīng)當(dāng)避免不明確的受力狀態(tài)。結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作主要體現(xiàn)在：基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)上部的協(xié)調(diào)。
建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)符合抗震概念設(shè)計(jì)的要求，盡量不采用不規(guī)則的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。在一個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元內(nèi)，平面布置力求簡單、規(guī)則、對稱，盡量使結(jié)構(gòu)的剛度中心和質(zhì)量中心重合，以減少扭轉(zhuǎn)；一般情況下宜采取調(diào)整平面形狀與尺寸，減輕結(jié)構(gòu)自重，最大限度的降低地震的作用。這樣設(shè)計(jì)出來的結(jié)構(gòu)既經(jīng)濟(jì)又合理，在滿足結(jié)構(gòu)安全性、適用性能的前提下，這樣就能達(dá)到結(jié)構(gòu)優(yōu)化的最佳效果。
基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)施工占整個(gè)建筑物工期的1/4左右，并且基礎(chǔ)造價(jià)也占到總造價(jià)的10%-20%，所以基礎(chǔ)工程結(jié)構(gòu)的重要性是顯而易見的。而且基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)工程的造價(jià)還與地質(zhì)條件是密切相關(guān)的，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)要求地質(zhì)勘探報(bào)告的精確度高，與實(shí)際地質(zhì)情況相符，這樣就能選擇一個(gè)合理的基礎(chǔ)形式、控制好基礎(chǔ)的截面尺寸和埋深，就能相對減少基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在總工程造價(jià)中的費(fèi)用。
3.2 合理選擇總信息中參數(shù)是能夠達(dá)到結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵
結(jié)構(gòu)計(jì)算是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，計(jì)算結(jié)果是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)。設(shè)計(jì)中選擇合適的計(jì)算假定、計(jì)算簡圖、計(jì)算方法及計(jì)算程序是得到正確計(jì)算結(jié)果的關(guān)鍵。對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行仔細(xì)分析，保證安全的前提下，達(dá)到節(jié)約成本，優(yōu)化設(shè)計(jì)的作用。電算程序中，總信息是控制全局的參數(shù)，每個(gè)程序有所不同，應(yīng)用程序時(shí)應(yīng)熟讀和理解程序的說明，且應(yīng)在正確理解參數(shù)的物理概念的基礎(chǔ)上，根據(jù)工程的實(shí)際情況及規(guī)范相關(guān)要求經(jīng)分析后確定。如周期折減系數(shù)、框架―剪力墻結(jié)構(gòu)中任一層框架部分承擔(dān)的地震力影響系數(shù)、地震作用調(diào)整系數(shù)、計(jì)算振型數(shù)、梁端彎矩調(diào)幅系數(shù)、梁跨中彎矩放大系數(shù)、連梁剛度折減系數(shù)、梁扭矩折減系數(shù)等等。合理的設(shè)計(jì)參數(shù)對結(jié)構(gòu)的優(yōu)化起著重要的作用。
3.3 柱墻梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)
柱網(wǎng)布局確定著柱子的行距和間距（同行相鄰的兩個(gè)柱子的間的距離），柱網(wǎng)的尺寸一般來說在6到12米之間比較經(jīng)濟(jì)合理，如果柱距小那么其傳力路線就短，上部結(jié)構(gòu)的材料就能節(jié)省，但是這可能使基礎(chǔ)費(fèi)用高，所以說柱網(wǎng)布局是否合理，對工程的造價(jià)有很大的影響，另外，柱子的截面形狀和大小對工程造價(jià)也有著直接的影響，所以合適的柱網(wǎng)布局、柱子截面的形狀及大小的選擇對工程造價(jià)的影響是很明顯的。
剪力墻布置宜盡量對稱，貫通全高。在高度較大的建筑中，剪力墻宜布置成井筒式，宜加大結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力剛度和抗扭剛度。框架―剪力墻結(jié)構(gòu)中，剪力墻宜均勻布置在建筑物端部附近，樓、電梯間、平面形狀變化較大及恒載較大處，剪力墻的間距不宜過大。
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)通常采用矩形截面梁當(dāng)做受彎梁，采用合理的梁截面，既能減少混凝土的用量，又能達(dá)到節(jié)約鋼材的目的。設(shè)計(jì)中應(yīng)避免出現(xiàn)“短梁”、“短柱”現(xiàn)象，以免出現(xiàn)鋼筋構(gòu)造加強(qiáng)措施，造成用鋼量的增加。
在構(gòu)造方面，如果我們注重一些配筋細(xì)節(jié)，這樣既能保證結(jié)構(gòu)的安全，又能控制好含鋼量。如：梁的配筋方面，因選型和選材的合理，使計(jì)算結(jié)果趨于合理，所以我們對構(gòu)件的配筋可按計(jì)算結(jié)果直接配置，不再放大，梁的通長筋可采用小直徑鋼筋搭接；剪力墻暗柱配筋，可將墻體水平鋼筋計(jì)入暗柱箍筋計(jì)算（規(guī)范規(guī)定范圍），可減少暗柱箍筋量。只要我們注意構(gòu)造上的一些細(xì)節(jié)，這樣也能達(dá)到節(jié)省鋼材的作用。
通過概念設(shè)計(jì)選擇最優(yōu)方案，通過柱網(wǎng)、剪力墻的合理布置，通過計(jì)算程序中參數(shù)的認(rèn)真選擇，通過構(gòu)造上柱墻梁截面的恰當(dāng)設(shè)計(jì)，配筋方面的優(yōu)化，我們就能將整個(gè)建筑物實(shí)現(xiàn)既經(jīng)濟(jì)又合理，達(dá)到結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。
總之，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，不但滿足了人們對建筑美觀、造型優(yōu)美的要求，又能使房屋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、性能安全、建筑成本經(jīng)濟(jì)，成為名副其實(shí)的“經(jīng)濟(jì)適用”建筑。企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化管理，提高設(shè)計(jì)管理工作的系統(tǒng)性，使技術(shù)管理更加全面、專業(yè)、精細(xì)，從整體上增強(qiáng)了競爭力，減少浪費(fèi)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一門藝術(shù)，沒有惟一解。只有不斷地探索去尋求相對的最佳，而無絕對的最優(yōu)。
參考文獻(xiàn)：
