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學(xué)科設計優(yōu)化在建筑工程設計中的應用論文
摘要：目前在建筑工程設計過(guò)程中，會(huì )有許多種學(xué)科參與進(jìn)來(lái)，并且是需要共同完成的環(huán)節。在建筑工程設計當中，使用多學(xué)科進(jìn)行設計優(yōu)化時(shí)，需要根據建筑設計環(huán)節中關(guān)聯(lián)到的全部學(xué)科之間的聯(lián)系，進(jìn)行全面探索，從而建立健全的參數化信息模型。
關(guān)鍵詞：多學(xué)科；設計優(yōu)化；建筑工程設計；應用
由于不同學(xué)科之間所產(chǎn)生的效應相比于獨立學(xué)科，能夠擁有更大的效應，因此建筑工程在進(jìn)行設計時(shí)，肯定會(huì )是在多學(xué)科設計基礎上，向著(zhù)整合和優(yōu)化的方向進(jìn)行發(fā)展，在某種程度上可以使建設設計中的全部環(huán)節都能夠產(chǎn)生最大的效應。
1在建筑工程設計中多學(xué)科設計優(yōu)化的意義
在建筑設計過(guò)程中，探索工程系統當中的各個(gè)相互作用下的協(xié)同機制，從而設計出比較復雜的系統和子系統方法理論，我們將之稱(chēng)作多學(xué)科設計優(yōu)化，又名MDO。在建筑設計領(lǐng)域當中，應用多學(xué)科設計，可以將各個(gè)學(xué)科之間的相互作用進(jìn)行充分開(kāi)發(fā)和利用，從而可以實(shí)現最好的協(xié)調效應，優(yōu)化和整合建筑設計系統，MDO技術(shù)完成了多學(xué)科并進(jìn)設計，將設計時(shí)間節省了下來(lái)，使設計效果得到了增強。在建設項目設計過(guò)程中，主要分為三個(gè)設計階段，分別是方案設計、初步設計和施工圖紙設計，在設計時(shí)會(huì )應用到多方面知識。在設計方案時(shí)，會(huì )涉及到建筑學(xué)和經(jīng)濟學(xué)等方面的知識；在設計施工圖紙時(shí)，會(huì )涉及到結構力學(xué)、施工暖通和流體等方面的知識。因此，在建設過(guò)程設計過(guò)程中，囊括了多方面知識�，F如今，在設計中多學(xué)科知識的應用并沒(méi)有完成綜合整合優(yōu)化，各學(xué)科之間會(huì )有交流的障礙，致使建設過(guò)程設計耗時(shí)長(cháng)、效率低以及投入大。在進(jìn)行建設過(guò)程設計時(shí)，想要改變這種現狀，必須實(shí)現各學(xué)科間信息共享。而多學(xué)科優(yōu)化理論使建筑工程設計現狀得到了有效改善，在經(jīng)過(guò)發(fā)展之后，充分發(fā)揮出了設計中的各個(gè)資源優(yōu)勢，能夠合理配置設計資源結構。這也改變了在建筑工程設計具體問(wèn)題中應用各學(xué)科的聯(lián)系，MDO重視各個(gè)學(xué)科之間的聯(lián)系、作用和綜合效應，多學(xué)科優(yōu)化設計可以影響到建筑設計環(huán)節當中的每個(gè)環(huán)節[1]。
2在建筑工程設計中多學(xué)科設計優(yōu)化的優(yōu)勢
在建筑工程項目設計時(shí)，傳統的建筑工程設計方式分為三個(gè)階段，會(huì )先提出來(lái)設計建議，再根據提出的設計建議展開(kāi)詳細分析，最后做出相應的決策。①建筑工程項目進(jìn)行專(zhuān)業(yè)設計時(shí)，應根據業(yè)主方面的相關(guān)需求，確定下來(lái)相應的設計原則以及方法；②依照建筑工程項目所設計的施工圖紙，從圖紙中獲取相應的信息，之后建立健全的不同學(xué)科分析模型；③建筑工程的設計人員和工程師，要明確是否對應相應的設計理念。建筑工程在設計階段，要嚴格關(guān)注設計方案，不應該只是對整體項目進(jìn)行分析。在傳統的建筑工程設計當中，在執行以及管理信息中會(huì )浪費掉大量的時(shí)間，留給評價(jià)方面的時(shí)間卻很少�？墒窍胍_使用多學(xué)科設計優(yōu)化技術(shù)，對工程項目設計過(guò)程中，就會(huì )按照以下幾個(gè)方法展開(kāi)相應的流程：在選擇參數時(shí)，需要按照設計空間要求，接下來(lái)便對這些參數進(jìn)行分析，在建立健全的幾何模型時(shí)，采取參數化CAD[2]。在建筑工程設計集合模型階段，使用多個(gè)學(xué)科來(lái)展開(kāi)綜合性分析流程，在得出結果之后，再計算材料、設備成本以及用量方面。在選擇新參數配置時(shí)，需要進(jìn)行合理的控制，最后便能通過(guò)優(yōu)化器反饋出空間的最優(yōu)位置。多學(xué)科設計優(yōu)化技術(shù)，工程師不用根據經(jīng)驗也能控制好每一項參數，只要對相應的參數以及規則進(jìn)行輔助，就可以實(shí)現我們想要的效果，從而對結果進(jìn)行合理解析。
3在建筑工程設計中多學(xué)科設計優(yōu)化的應用
3.1多學(xué)科耦合
在正常情況，想要實(shí)現整體性最優(yōu)解，每個(gè)學(xué)科之間都是相互獨立的，不會(huì )存在耦合關(guān)系。這時(shí)，就需要將系統中的目標變成學(xué)科目標中的增函數。因此，想要實(shí)現學(xué)科和學(xué)科間的耦合，必須開(kāi)展協(xié)調優(yōu)化，使用學(xué)科之間的耦合關(guān)系降低概率，從而促進(jìn)最優(yōu)化。這種方式能夠通過(guò)學(xué)科等級進(jìn)行相應的優(yōu)化，在協(xié)調系統級時(shí)，利用松弛因子實(shí)現。優(yōu)化整合的目標便是在結構和能源可行的解空間尋找共同解空間，這是因為耦合參數具備沖突性。在共同解空間不能展現最優(yōu)解，只能在優(yōu)化解空間獲取。為此，設計人員必須根據實(shí)際需求，在總體投資成本和運營(yíng)成本當中尋找那個(gè)平衡點(diǎn)。多學(xué)科設計優(yōu)化會(huì )找出直觀(guān)可靠的可視化替代方案和數據，從而尋找更加合適的設計方案。
3.2建立模型
建筑模型便是建筑信息模型，是通過(guò)對象化數字物體描述和表現真實(shí)世界里的建筑構件，參數建模是關(guān)系數據庫和行為模型動(dòng)態(tài)捕捉和表現所需建筑信息。在多學(xué)科設計優(yōu)化中，采用參數化技術(shù)建筑模型具有真實(shí)世界的屬性以及行為，且參數化模型能夠智能化識別構件特征和作用規則，因此參數化模型能夠保持在真實(shí)世界構件的相互關(guān)系，在對建筑構件進(jìn)行管理時(shí)，保持最開(kāi)始時(shí)設計意圖的智能性，使設計工作的重復性得到極大減少。為了讓建筑模型擁有極大靈活性和柔軟性，使人類(lèi)智能參與需求得到滿(mǎn)足，多學(xué)科產(chǎn)品一般都會(huì )建立比較合適的產(chǎn)品設計對象樹(shù)，并且它的每個(gè)設計對象都含有約束、參數、方法和目標集合[3]。
3.3劃分模塊
在設計階段，根據多學(xué)科特性和相關(guān)要求，依照建筑工程項目的作用，將原有的系統劃分成不同的子系統。并將獨立求解的子系統放到首要位置，在此同時(shí)開(kāi)展相應的優(yōu)化流程，再對耦合的每個(gè)子系統間的對應關(guān)系進(jìn)行分析，最后協(xié)調整個(gè)耦合變量，只有這樣才能滿(mǎn)足每個(gè)子系統相應的目標，應用這種方式能夠將總體最優(yōu)解。例如在建設長(cháng)方形教室時(shí)，將會(huì )給出能源和結構這兩個(gè)子系統，進(jìn)行獨立分析和優(yōu)化。
3.3.1能源
在能源設計階段分為：幾何設計、能源分析以及優(yōu)化，其中幾何設計中所涉及到的自變量包括：教室長(cháng)、教室朝向以及窗墻之比，這一階段的約束集就是平均每年的光能乘數，其目標功能便是實(shí)現整體壽命運營(yíng)成本的最小化。其中設計空間是長(cháng)方形房間，并且在兩面墻面上有窗戶(hù)，其窗戶(hù)是在墻面正中央，窗戶(hù)比例也會(huì )受到墻影響，墻、屋頂以及地面會(huì )作為單獨平面進(jìn)行建模[4]。
3.3.2結構
在結構設計階段包含：幾何設計、結構分析以及結構優(yōu)化，長(cháng)方形教室進(jìn)行幾何設計時(shí)，可以使用參數化CAD軟件設計，其結構幾何模型當中的自變量便是教師長(cháng)。如果將教室的幾何形狀進(jìn)行更改，就需要我們去改變結構部件的荷載分布，這便是在結構模型中需要面臨的挑戰之一。為保證幾何形體所涉及的全部荷載分布保持其穩定，在模型中每一個(gè)結構部件都需要對參數化荷載控制板進(jìn)行自定義，并且控制板區域要一一對應教室支撐部件荷載分布，而且要根據教室幾何形狀的改變進(jìn)行自動(dòng)更新。
4建筑工程在設計優(yōu)化時(shí)注意事項
�、賹⒃O計中標方案進(jìn)行完善，設計方案是用來(lái)招標的，中標方案并不一定會(huì )最好和最完善，受到某些因素影響，設計單位時(shí)間緊迫，并不能在有效的時(shí)間內充分掌握建設單位意圖，在這樣的情況下，設計方案會(huì )滿(mǎn)足不了建設單位的需求，為此想要使設計方案變得有深度，確保有效銜接后續設計活動(dòng)，需要對中標設計方案進(jìn)行優(yōu)化和完善。②對建設單位技術(shù)方面的要求要明確，在建筑產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展下，產(chǎn)生出了更加復雜繁瑣的設計方案，在還沒(méi)有建筑設計雛形時(shí)，建設單位并沒(méi)有明確的技術(shù)要求，招標文件中的要求也很模糊，它只是個(gè)大致框架，沒(méi)有具體的內容，因此優(yōu)化建筑工程設計方案，可以對技術(shù)要求和功能要求有個(gè)大致了解[5]。
5結束語(yǔ)
總而言之，在建筑工程設計過(guò)程中，MDO技術(shù)具有絕大的應用優(yōu)勢，它使設計所需的循環(huán)時(shí)間得到了極大的縮短，使整個(gè)產(chǎn)品質(zhì)量都得到了優(yōu)化，可以方便我們開(kāi)發(fā)出更多可操作性替代方案。同時(shí)，MDO技術(shù)還能將建筑工程當中的管理組織結構進(jìn)行優(yōu)化，并顯現出工程當中的沖突和變更。另外，MDO技術(shù)可以實(shí)現信息的自動(dòng)化，將決策的科學(xué)性提高。在建筑設計過(guò)程中，應用MDO這一技術(shù)，可以更加確定工程項目中的拓撲圖和各項復雜參數，且技術(shù)人員還有面臨龐大解空間以及運算時(shí)間的挑戰。但是在建筑工程設計中，MDO技術(shù)的應用優(yōu)勢，會(huì )讓MDO技術(shù)變得更加成熟。
參考文獻
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[2]馬國棟.基于多學(xué)科設計優(yōu)化方法的工程總承包項目設計管理研究[D].南開(kāi)大學(xué)，2013.
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[5]鄧雪松.淺談如何優(yōu)化建筑工程設計[J].城市建設理論研究（電子版），2015（25）：1180~1181.
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