建筑结构概念设计的优化

□王智锋(建业住宅集团中国有限公司)

□孙之如(河南兴达工程咨询有限公司)

一、传统的结构设计与最优化设计

（一）传统的结构设计

根据建筑设计方案的要求，结构设计人员，参照类似的工程和自已的设计经验，按照规范，拟定结构方案和相应参数，用结构力学的方法，进行强度、刚度、稳定性的计算，实际是对所选定的方案，做了安全性的校核工作，证明方案是可行的，从安全与经济分析，可行方案未必是最合理的设计，因为软件是结构计算软件，运算速度快，可能多做了几个可行方案进行比较，比较是在几个方案中进行，而没有预先设定目标，与预定的目标进行比较。

（二）最优化设计

最优化设计与传统的结构设计，用相同的设计规范、基本理论、计算公式、设计流程：经过设计（拟定各构件尺寸）校核（是否满足规范的要求）修改设计，再校核直至得到满意的结构方案。因此，安全度是相同的，所不同的是：传统的结构设计，是在有限的几个可行方案中，挑选认为比较满意的方案，优化设计是事先要有明确的特定目标（拟定的特定目标反映了设计人的工程经验及设计水平、成本意识和甲方的产品定位等），如结构的体积最小、重量最轻、造价最省为前提，通过数学运算求极值的方法，得到安全性与经济性都最优的方案。

显然，最优化的设计事先有了相对明确的目标，这个目标就来自于结构概念设计。

二、概念设计相关名词解释

（一）给定参数（或预定参数）

在开始设计时就给出的，用于描述结构特性的参数，如作用在楼面的活荷载、楼面材料的弹性模量和材料的自重，只要建筑的使用功能及结构材料定下来，可按相关规范查到，在设计过程中，其数值是不变的。

（二）设计变量

在设计过程中，其数值是可以改变的，用于描述结构特性的那些量，如楼板的厚度、梁的断面尺寸大小、跨度等，在工程中，起码有两个变量，称为二维设计空间，当变量个数为n（n＞2）,称为n维设计空间，简称超空间。

（三）目标函数

目标函数是设计变量的函数，在工程中，多以结构造价、重量或体积作为目标函数，记作W（x）;设计工作就是要找出使目标函数取极小值的设计方案，目标函数是设计过程中比较和选择各种不同方案的指标。

（四）约束条件

根据结构设计方案，满足使用功能的各项要求，对结构施加的种种限制，依对设计变量施加限制的方式，分为显式约束和隐式约束。

显式约束：是直接施加一个或几个设计变量的限制，如构件的断面尺寸是变量，各种结构规范的构造措施，对构件尺寸的限制就是，混凝土规范第10节，关于现浇板的最小厚度的规定，可表示为：h≥表10.1.1中的最小值。

隐式约束：间接施加于设计变量的限制，如对结构应力所施加的限制，以简支梁为例，根据跨长、荷载，用结构力学方法，算出内力（M、Q、N）,再算出梁断面的应力，要求：σ（梁断面任一点的应力）－f（所用材料的设计强度）≤0，这就是隐式表示，是经过应力计算求出来的，不是直接施加。约束条件可分为等式与不等式两种表示式。

等式约束：σ－f＝0，表示结构内任一点的计算应力都必须等于所用材料的设计强度，在连续结构中，这实际上是不可能的，故在结构优化设计中，等式约束很少采用。

不等式约束：σ－f≤0，表示结构中任一点应力不应超过相应材料的设计强度，是结构优化设计的一个重要概念。

三、结构最优化设计的表达式

有了上面的名词解释及对传统设计与优化设计的简单描述为基础，结构最优化设计可概括为：对于已知的给定参数，求出满足全部约束条件并使目标函数取极小值的设计变量，用数学表示为：

极小化的目标函数：W（x）=C,

满足于约束条件gi（x）≤0,i=1,2,…m,X1,X2,……Xn≥0,

四、结构概念设计优化与工程成本控制

概念设计最主要目的是在设计方案合理的基础上更加经济、安全可行。所以，概念设计需要正确的设计原则以解决设计当中出现的问题，并更加优化设计人员的方案。概念设计运用的好坏不仅体现出了设计工程师的思维活动，更显示出了设计工程的质量层次。

所谓成本控制，是根据一定时期预先建立的成本管理目标，由成本控制主体在其职权范围内，在生产耗费发生以前和成本控制过程中，对各种影响成本的因素和条件采取的一系列预防和调节措施，以保证成本管理目标实现的管理行为。

作为建设工程的投资方，关注工程成本控制，这是必然的，但成本控制，首先要明确目标成本，对于工程成本，因为从购地立项开始，到建筑方案（包括平面布置、立面造型处理、室内外装修及材料选择）、室外景观设计等，结构是实现建筑方案的骨架，在工程成本控制的整个链条组成中，占据很大的分量，因此，开展结构概念设计，确定结构目标成本，就是一个很好、很重要的方法。

五、结语

概念设计是从设计的基本原理，工程的客观规律和方法等出发进行综合考虑，来最终确定建筑结构的总体布置，和进行宏观上的调控。所以，对于专业人员来说，重视开展结构概念设计，才能让结构设计更加安全，经济。