关于建筑结构优化设计技术的探讨

胡柏城

【摘要】建筑结构的优化设计是体现建筑的投资成本及本体功能的关键因素，创建节约型的社会，减少废物的排放，合理使用资源，增加能源的循环利用，是建筑供应者与需求者的共同追求。因此本文结合建筑工程的经验与理论依据，分析建筑结构的优化设计原则、影响优化设计的发展因素以及技术方法。

【关键词】建筑结构；优化设计；影响因素；技术方法

中图分类号：TU3文献标识码： A 文章编号：

1.前言

创建节能环保型的社会是我国建设的新理念，由于经济的快速发展，人们对于生存的环境要求日益增高。建筑结构的优化设计不但需符合社会的需求，还需满足建设者与需求者的需求，为投资者达到有效控制建设的成本，符合使用者对建筑的功能性与舒适性以及生态环境要求的目的。因而设计中应借助合理的设计技术方法，运用新材料与新技术，尽量降低资源的消耗，提升经济的效益。所以在社会倡导节能环保的条件以及科技迅速发展下，建筑结构的优化设计是非常有必要的。

2.建筑结构的优化设计的原则

建筑结构的设计不但只是建筑结构的本身，还有建筑经济的效益、居住舒适度与建筑空间使用率。因此，建筑结构应严格依据相关的原则进行设计。

2.1令不规则建筑的平面布置出现规则结构的效应原则

在建筑结构的优化设计过程中，应按照不同的功能需求，调节墙肢的长短与墙柱的布局，令建筑结构起到安全使用的作用。

2.2提升建筑居住的舒适度原则

建筑结构的优化设计出发点与落脚点是建筑的居住舒适度，因此，为提升建筑居住的舒适度，需优化设计建筑的结构、装饰装修以及电气的安装等各个方面。

2.3确保建筑结构的整体安全性原则

建筑结构的整体安全性体现于对建筑抗震的设计，而其在建筑抗震的设计规范中有明确的标准。因而，需确保建筑结构的设计能达到各个部件的承载能力，进而达到建筑结构能安全经济、耐久使用的目的。

2.4对于不同的构件运用不同安全的系数结构原则

若是为保证建筑整体的安全性，不顾及建筑构件实际承载的能力，全部构件的安全系数都是相同的，将会促使结构设计不符合标准。因此，需按照建筑部位承载的能力设计相应安全的系数，起到整体优化设计的作用[1]。

2.5建少建筑结构的造价原则

在确保建筑结构的整体性能可以符合指标的情况下，需着重考虑建筑经济性。

3.影响建筑构优化的设计发展因素

建筑结构的优化设计全过程主要有：建立数学模型优化设计；选取合理优化的方法；确定设计变量、目标函数以及约束函数；确定设计的初始点与必要的数据，编写计算机语言程序；由计算机求解且输出计算的结果；分析结果数据。将此过程简化，主要有如何将设计的问题转化成反映问题的实质，并能适用在优化计算数学的模型中；如何选择适合优化的方法，求出数学模型最优解。建筑结构的优化设计在研究深度、应用广度与发展速度上均落后结构分析有限元，主要的原因是难以进行建筑结构的优化设计。

3.1约束条件的影响

约束的条件类别多、数量多，并且约束的条件数量普遍多于变量的个数，尤其是约束函数均为高度非线性的，难以区分无效约束或是有效约束，为优化的分析加大了难度。

3.2建筑结构优化变量的影响

建筑结构的优化变量个数较多，同时变量个数会随问题复杂的程度而增加，并且难以区分被动的变量与主动的变量，所以优化分析工作量相对较大。目前，难以精确分析工程要求离散的变量，普遍是先处理连续变量然后再归整，导致出现相应的误差。

3.3结构分析的影响

结构分析与敏度分析的代价较大，针对实际的问题，进行一次优化的分析很少可以成功。因而，一个优化的问题通常需进行多次反复的寻优，也意味着需实行结构的重分析，而此的代价较大。部分国外的学者认为结构重分析的次数不应高于十次，因其费用昂贵。并且每进行一次结构的分析，然后进行一次敏度的分析，而敏度的分析代价比结构分析更大。

3.4目标函数的影响

建筑结构的优化设计通常是将造价最省或是重量最轻为优化目标，而对于实际的问题，需根据问题要求对目标函数进行。对于钢结构而言，重量对评价经济指标是尤为重要；但对于钢筋混凝土的结构而言，重量轻无法反映经济的效果，原因是钢筋与混凝土在资源与价格上的差距比较大。因此，在降低钢筋的重量时，最后的优化设计方案是运用截面小、钢筋密的结构，但在造价上却不是非常经济的，并且也不利于施工。因而，对于钢筋混凝土的结构，将费用定为目标函数是最佳的，目标函数还能指部分技术性的指标[2]。

4.建筑结构的优化设计技术方法

建筑结构的优化设计本质是将力学理论与数学规划的理论作为理论的基础，将计算机技术作为工具，对于建筑结构的各个变量制定优化设计的技术方法。

4.1优化设计的技术方法

4.1.1对数学模型进行优化

建筑结构的优化设计关键步骤是建立合理的数学模型，正确优化的数学模型是优化结果精确的基础。在优化的模型之中，数学模型等式的约束个数应低于设计的变量个数，方可得出最优解。

4.1.2优化数学的算法与迭代控制

建立优化数学的模型，虽优化算法能运用的有很多种，但运用不同优化的算法得到优化的效果与花费求解的时间是有差别的。因而，数学优化的算法能快速有效也是建筑结构的优化设计关键的技术。

4.1.3结构分析的方法

大部分建筑结构优化的设计问题难以运用解析法进行求解，通常是运用数值法。数值解寻优实际是优化迭代的过程，而每一次优化迭代均需对结构进行分析。

4.2优化设计的优化算法

实现以上三种关键技术需先建立可靠优化的模型，再运用合适的优化算法求解，因而选取的优化算法能计算简便并且正确率高是特别重要的。因此，以下四种优化算法是经常运用的，并且由结构优化的准则计算得出最优的结构需满足临界力、应力以及位移等约束优化的准则。

4.2.1满应力的准则法

满应力的准则法是将满应力作为准则，此种算法是为能充分利用结构材料，并且充考虑各个构件在不止一种工况与不利应力情况下能达到材料容许应力大小，进而发挥各个构件最大使用的限度。满应力的准则法主要包含齿行法、应力比法与能量准则法，而应力比法是相对比较简单的方法；而齿行法是应力比法的改进方法，体现于优化迭代的方法，迭代时能令每次迭代点均能控制于主约束的曲面上，经过对迭代点的调整，不断接近优化的目标；能量准则法将应变能为准则，达到尽可能减少结构的使用材料目的。

4.2.2多目标问题优化的方法

大多数建筑工程的结构设计对于设计方案都需评价其优劣性，通常需考虑众多目标，也就是期望多项设计的指标均能同时是最优值。因而，需应多目标函数优化的方法，包含统一目标法、主要目标法、宽容分层的序列法以及分层序列法等。

4.2.3智能优化的准则法

结构智能优化的准则法体现于算法的发展日益智能化，且在结构优化的设计中智能运算运用日益广泛，主要以遗传算法与模拟退算法两种方法为主。遗传算法特征是不依赖具体的问题，采用的基本原理是进化论（达尔文著），可处理建筑工程中离散变量的优化问题；模拟退算法不但能引入合适随机的因素，还能考虑目标函数值优劣因素的影响。

4.2.4有限元的准则法

建筑结构有限元的优化分析是结合力学的原理、数学的方法与计算机程序的设计等多个方面进行优化分析的方法，有限元方法主要的用途便是计算力学的问题。建筑结构有限元的分析方法通用性好，其能运用于任何结构的分析模型，并且目前在结构的优化设计方面，有限元法也是运用最广泛的分析方法。因而，不仅对结构分析的方法求解效率要求高，还应满足结构优化设计所需要网格自动的剖分技术[3]。

【参考文献】

[1]沈汝伟.对建筑结构优化设计的探讨.煤炭技术,2011,30(04):242-244.

[2]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.

[3]班春旭.建筑结构优化设计的研究.科技与企业,2012(17):216-216.