建筑结构优化设计研究

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摘要:为了保证建筑结构的性能和节能等方面的优化，需要对建筑结构进行优化设计，通过对建筑结构优化的定义和影响结构优化设计发展的因素进行分析，对结构优化设计的数学模型的建立和优化的方法进行简单的论述，对优化设计综合评价指标体系的建立、使用方法进行研究和分析。

关键词:建筑结构；优化设计；措施

通过对建筑结构的优化设计不但能够作用于结构本身，而且能够在其他的方面起着一定的作用，比如能够增加建筑的空间使用效率以及改善建筑的舒适度等方面的作用。在进行结构优化设计的时候，需要针对结构的各方面因素、约束和要求等方面的情况，从而保证设计的质量。

1结构优化设计发展的制约因素

在进行建筑结构优化设计的时候，首先需要进行数学模型的建立，然后再对优化的方案进行选择，对目标函数和设计变量等方面进行确定，对相应的数据进行确定并设计初始点，进行计算机语言程序的编写，然后在利用计算机来进行数据的计算并输出结果，最后需要对输出的结果进行一定的分析审核［1］。简单的来说其实就是先将设计问题转化为适合优化计算的数学模型的实质的问题，然后在利用合适的优化方法来进行数学模型的求解。在进行结构优化问题的变量个数方面，如果问题的复杂程度较高的话，对应的变量个数也会增加，在主动变量和被动变量的区分上也有一定的难度，这就会增加优化分析的工作量。当前我国在工程的要求上不能精确的对离散变量进行分析，通常情况下会先进行连续变量的处理之后再进行数据信息的归整，但是这种形式会存在着一定的误差［2］。在约束条件方面，主要呈现了在数量和种类上的大量化，通常来说约束条件的数量需要比变量的数量多，很多的约束函数是需要高度的隐形和非线性来进行保证的，所以不能充分的对有效约束和无效约束进行区分，也会给建筑结构的优化带来困难。在目标函数方面，不能对目标函数的明确性进行充分的保证，在进行建筑结构优化设计的时候通常会利用质量最轻或者造价最省的单位进行优化，而对于实际问题，则需要根据实际问题的需要来对目标函数进行确定，比如对于钢结构来说，不能以质量的轻重来进行经济效果的反映，但是通过和混凝土的对比则能够在资源和价格等方面进行明显的比较，为了对钢筋的重量进行优化，需要保证设计时选取截面小并且密度较大的钢筋结构，但是这种方式在造价上不能得到充分的保证，并且在施工上也不方便［3］。所以在钢筋混凝土结构上的优化上来说，需要利用费用来进行目标函数的制定。另外某些技术性指标也需要进行目标函数的制定，就比如准则法需要进行目标函数的制定。针对上述的情况可以发现在进行建筑结构优化设计的时候建立合理的目标函数是有一定难度的。在进行结构分析和敏度分析的时候需要付出一定的脑力和人力劳动，通常情况下不能对实际的问题进行一次性的成功的优化分析。对此需要在进行问题优化的时候进行多次反复的比较最终选择最优的方案，这就是造成了较大的人力和脑力的劳动的付出。相关的研究人员和学者认为重复分析的次数不能超过10次，否则分析的费用不能符合结构优化的目标。通常敏度分析是需要在结构分析之后进行，在进行结构分析的重复分析的时候需要进行敏度分析，而敏度分析也是需要一定付出的。

2结构优化设计的数学模型和优化方法

通过建立数学模型能够方便建筑结构的优化设计，通过对数学模型的控制能够保证解的精度，减少计算的工作量，能够充分的保证解答的准确性［4］。数学模型在建立的时候需要在选择设计变量、建立目标函数和确定约束条件三个方面进行确定。(1)设计变量的选择。设计变量是设计过程中需要进行选优的量，主要是在结构的形状参数、截面尺寸和使用材料等方面的信息。通常情况下，要想保证优化的效果，需要尽可能多的对设计变量进行选择，但是对应的工作量也会增加。但是在实际的优化过程中会选取较少的设计变量，将优化效果不好的参数来设定为定量［5］。在进行设计变量的选择的时候需要对客观条件进行分析，在客观条件的范围等方面存在一定的限制，比如在对梁的截面高度进行变量的设计时，需要根据相关的规范和要求来进行，不能随意的进行选取。(2)目标函数的确定。在进行设计变量的选择时需要按照相应的目标来进行解析表达式的确定，而这些解析表达式就是目标函数，另外因为设计变量的特性不能写出解析式的某种指标的表达形式。在对目标函数进行选择的时候需要按照结构方案的标准来进行判别，主要是对结构的体积、重量、造价和强度等方面的情况来进行优化设计的目标函数的确定。(3)约束条件的限制。约束条件就是在进行建筑结构优化设计中需要遵守的条件，能够对工程管理和要求规范进行一定程度的满足。优化变量对约束条件的确定有着一定的，有些限制是不能够进行省去的，这些就是约束条件，在进行约束条件确定的时候，需要将一些不必要的限制删除，从而保证约束条件的简化［6］。在进行建筑结构优化设计的时候，通常会存在较大的约束条件，这些约束条件通常会分为两类，第一类是指相关的设计规范等方面的约束条件，第二类就是保证结构正常工作的各方面的参数，第二类约束条件虽然没有和设计变量之间存在直接的联系，但是这些约束条件需要进行一定的结构计算才能准确的获取。(4)优化方法的确定。建筑结构的优化设计方法的解决方式有很多，但是没有统一的分类方法，通常会按照优化的方法特征来分为数学规划法和优化准则法两种。

3优化设计综合评价指标体系的建立和使用方法研究

对建筑的设计评价需要在结构、管线等方面情况进行全面的优化，不能仅仅的在一个或几个方面进行优化的设计。在进行结构设计优化的时候，需要对建筑结构内部的平面、空间和立面等方面进行外观和性能的满足。一个良好的建筑物需要在结构体系的选择、传力、构建和材料等方面进行合理的选择和利用。在进行优化结构设计的时候不能因为结构而进行结构优化，而且需要针对建筑的特色来进行结构的优化。(1)优化设计综合评价指标体系的建立。主要采用层次分析法来进行优化设计综合评价指标体系的分析，通过对定性和定量的结合来对复杂的问题进行有序的分解，并且能够按照一定的客观事实来进行判断，保证每一层次中都有相对重要性的定量来进行充分的表示，然后利用数学方法来对每个层次的全部元素的次序的数值进行表达，通过对每个层次的这些情况进行分析来对整个问题进行分析。将优化设计综合评价指标体系分为四个层次，其中第一层为总目标层，也就是整个优化设计综合评价指标体系，需要遵循以人为本和可持续发展观的原则来进行设计，并且需要对当前的技术水平和建筑结构设计理念进行全面的展现，能够在社会、环境和经济三个方面来进行全面的评价［6］。第二层主要包括结构的经济性、结构体系的先进性和结构的可靠性三个方面，第三层主要是准则层，主要是对费用、施工材料、施工场地、地基基础和构件等方面，而第四层是比第三层更加一步的分层。(2)优化设计综合评价指标体系的使用方法。为了保证模型的针对性，我们将城市划分为特大城市、大城市和小城市三种形式，然后将某一种形式中城市的经济、文化和历史地理等方面的因素特征进行区分和聚总，然后在进行一定的层次的划分。将城市各个层面上的因素进行20个指标的组合排序，经过应的存储和随机的选取来确定相应的指标，然后对相应的指标按照一定的标准来进行打分，从而对设计方案进行优化，通过不断的循环来保证设计方案的最优。

4结语

综上所述，建筑结构的优化设计对建筑的结构和其他一些方面有着一定的影响，对此应该加强对建筑结构的优化设计，通过建立相关的数学模型和优化设计综合评价指标体系的建立来对优化方案的质量进行保证。

作者:张立柱 单位:辽宁建筑职业学院

参考文献：

［1］沈汝伟．对建筑结构优化设计的探讨［J］．煤炭技术，2011，04∶242－244．

［2］陈耀．高层建筑剪力墙结构优化设计分析探讨［J］．福建建材，2011，04∶36－37+39．

［3］陈家模，陈玲霞，苗丽．建筑结构优化设计研究［J］．工程建设与设计，2008，07∶44－47．