一、概 述
建筑幕墻的優(yōu)化設(shè)計(jì)是最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法在建筑幕墻設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用。幕墻的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，簡單的說，就是從所有可能的設(shè)計(jì)方案中，尋求最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，以最大限度地滿足設(shè)計(jì)所提出的目標(biāo)。
尋求最優(yōu)方案的方法是最優(yōu)化方法，最優(yōu)化的理論和方法是隨著計(jì)算機(jī)的迅速普及而發(fā)展起來的，正因?yàn)樽顑?yōu)化的宗旨是追求最優(yōu)目標(biāo)，這就決定了它的應(yīng)用價(jià)值，最優(yōu)化問題的解決意味著在相同條件下獲得最優(yōu)的方案、最好的效果和最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。最優(yōu)化的應(yīng)用和推廣，必將使建筑幕墻的設(shè)計(jì)提高到一個(gè)新水平。
目前,幕墻的設(shè)計(jì)，多采用類比法，參考已有的設(shè)計(jì)或經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析對比，從而確定所需的設(shè)計(jì)參數(shù)。也有選擇有限的幾種方案進(jìn)行計(jì)算，最后根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定一組較好的設(shè)計(jì)參數(shù)。一般來說，這樣確定的設(shè)計(jì)方案，不是最佳的設(shè)計(jì)方案。但是，如果采用最優(yōu)化方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，則可以獲得最佳的設(shè)計(jì)方案。
最優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，是根據(jù)設(shè)計(jì)要求建立數(shù)學(xué)模型，選用有效的最優(yōu)化計(jì)算方法，設(shè)計(jì)編寫優(yōu)化軟件，在計(jì)算機(jī)上完成設(shè)計(jì)計(jì)算，最后獲得最佳的設(shè)計(jì)方案。
二、建筑幕墻優(yōu)化設(shè)計(jì)一般步驟
幕墻優(yōu)化設(shè)計(jì)首先要解決的關(guān)鍵問題就是將工程實(shí)際問題轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)模型,建立數(shù)學(xué)模型的三個(gè)基本要素是:目標(biāo)函數(shù),設(shè)計(jì)變量和約束條件。
1．目標(biāo)函數(shù)
目標(biāo)函數(shù)是設(shè)計(jì)所追求的目標(biāo)，它是用來衡量設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣的目標(biāo)。幕墻優(yōu)化設(shè)計(jì)可以是優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式、確定優(yōu)化的
截面尺寸、成本最低、生產(chǎn)率最高等。
目標(biāo)函數(shù)分單目標(biāo)函數(shù)和多目標(biāo)函數(shù)。單目標(biāo)函數(shù)的求解比較簡明準(zhǔn)確，而多目標(biāo)函數(shù)的求解比較繁瑣。
當(dāng)前，幕墻優(yōu)化設(shè)計(jì)開展的工作主要是優(yōu)化截面尺寸，使得幕墻的結(jié)構(gòu)重量最輕。
2．設(shè)計(jì)變量
幕墻的一個(gè)設(shè)計(jì)方案,一般可用一組參數(shù)來表示,在這些參數(shù)中,有的是預(yù)先確定的,即在設(shè)計(jì)過程中
固定不變的量,即設(shè)計(jì)常量,如材料的
彈性模量E、材料的
泊松比γ、材料的
線膨脹系數(shù)α、材料的
強(qiáng)度設(shè)計(jì)值等等；有些參數(shù)實(shí)質(zhì)上不是常量,但在某些具體問題中可以看成常量,如
風(fēng)荷載,它是與地區(qū)、建筑物高度、建筑物所處的
地面粗糙度、建筑物的體型等有關(guān)的量,但有的時(shí)候、有的情況下，可以作為常量處理。另一類是在優(yōu)化過程中經(jīng)過逐步調(diào)整、最后達(dá)到最優(yōu)值的獨(dú)立參數(shù),叫做設(shè)計(jì)變量。優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的就是使各個(gè)設(shè)計(jì)變量達(dá)到最優(yōu)的組合。優(yōu)化截面尺寸的設(shè)計(jì)中,截面的幾何參數(shù)、物理參數(shù)就是設(shè)計(jì)變量。
應(yīng)當(dāng)指出,合理地確定
荷載和作用,是幕墻設(shè)計(jì)中十分重要的工作,作用在幕墻上的荷載有重力荷載、風(fēng)荷載、
雪荷載,此外還有使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生
變形和
內(nèi)力的作用,有
地震作用、
溫度作用。如果取值過大,所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)尺寸會(huì)偏大,造成浪費(fèi)；如果過小,則所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)不夠安全。
設(shè)計(jì)變量的個(gè)數(shù)就是優(yōu)化問題的維數(shù),若有n個(gè)設(shè)計(jì)變量X
1,X
2,…,X
n的優(yōu)化問題,變量按一定次序排列就構(gòu)成一個(gè)數(shù)組.設(shè)計(jì)變量的個(gè)數(shù)越多,設(shè)計(jì)自由度就越大,容易得到比較理想的設(shè)計(jì)方案,但隨之而來的是,使設(shè)計(jì)復(fù)雜起來,優(yōu)化計(jì)算更加困難,所以,應(yīng)盡量減少設(shè)計(jì)變量的數(shù)目,將一些參數(shù)定為設(shè)計(jì)常量,而只將那些對目標(biāo)函數(shù)影響較大的設(shè)計(jì)參數(shù)確定為設(shè)計(jì)變量,以使優(yōu)化設(shè)計(jì)容易進(jìn)行。
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