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一、概述

建筑幕墻的優(yōu)化設計是最優(yōu)化設計方法在建筑幕墻設計領(lǐng)域的應用。幕墻的最優(yōu)化設計，簡單的說，就是從所有可能的設計方案中，尋求最優(yōu)的設計方案，以最大限度地滿足設計所提出的目標。

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算機的迅速普及而發(fā)展起來的，正因為最優(yōu)化的宗旨是追求最優(yōu)目標，這就決定了它的應用價值，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)濟指標。最優(yōu)化的應用和推廣，必將使建筑幕墻的設計提高到一個新水平。

目前,幕墻的設計，多采用類比法，參考已有的設計或經(jīng)驗數(shù)據(jù)，進行分析對比，從而確定所需的設計參數(shù)。也有選擇有限的幾種方案進行計算，最后根據(jù)設計要求確定一組較好的設計參數(shù)。一般來說，這樣確定的設計方案，不是最佳的設計方案。但是，如果采用最優(yōu)化方法進行設計，則可以獲得最佳的設計方案。

最優(yōu)化設計方法，是根據(jù)設計要求建立數(shù)學模型，選用有效的最優(yōu)化計算方法，設計編寫優(yōu)化軟件，在計算機上完成設計計算，最后獲得最佳的設計方案。

二、建筑幕墻優(yōu)化設計一般步驟

數(shù)學模型的一般形式：

minf（）

∈En

其中，=[x1，x2，x3，…,xn]T

s.t.

Si()≥0i=1,2,…,m

hj()=0j=1,2,…,l(l﹤n)

幕墻優(yōu)化設計首先要解決的關(guān)鍵問題就是將工程實際問題轉(zhuǎn)化成數(shù)學模型,建立數(shù)學模型的三個基本要素是:目標函數(shù),設計變量和約束條件。

1．目標函數(shù)

目標函數(shù)是設計所追求的目標，它是用來衡量設計方案優(yōu)劣的目標。幕墻優(yōu)化設計可以是優(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。

目標函數(shù)分單目標函數(shù)和多目標函數(shù)。單目標函數(shù)的求解比較簡明準確，而多目標函數(shù)的求解比較繁瑣。

當前，幕墻優(yōu)化設計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．設計變量

=[x1，x2，…,xn]T是設計變量。

幕墻的一個設計方案,一般可用一組參數(shù)來表示,在這些參數(shù)中,有的是預先確定的,即在設計過程中固定不變的量,即設計常量,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、材料的強度設計值等等；有些參數(shù)實質(zhì)上不是常量,但在某些具體問題中可以看成常量,如風荷載,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、最后達到最優(yōu)值的獨立參數(shù),叫做設計變量。優(yōu)化設計的目的就是使各個設計變量達到最優(yōu)的組合。優(yōu)化截面尺寸的設計中,截面的幾何參數(shù)、物理參數(shù)就是設計變量。

應當指出,合理地確定荷載和作用,是幕墻設計中十分重要的工作,作用在幕墻上的荷載有重力荷載、風荷載、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,所設計的結(jié)構(gòu)尺寸會偏大,造成浪費；如果過小,則所設計的結(jié)構(gòu)不夠安全。

設計變量的個數(shù)就是優(yōu)化問題的維數(shù),若有n個設計變量X1,X2,…,Xn的優(yōu)化問題,變量按一定次序排列就構(gòu)成一個數(shù)組.設計變量的個數(shù)越多,設計自由度就越大,容易得到比較理想的設計方案,但隨之而來的是,使設計復雜起來,優(yōu)化計算更加困難,所以,應盡量減少設計變量的數(shù)目,將一些參數(shù)定為設計常量,而只將那些對目標函數(shù)影響較大的設計參數(shù)確定為設計變量,以使優(yōu)化設計容易進行。

3．約束條件

約束條件也叫約束函數(shù)，是設計變量本身或者設計變量之間應遵循的限制條件的數(shù)學表達式。

在優(yōu)化過程中，設計變量不斷改變其數(shù)值，以望達到目標函數(shù)的最小值。但設計變量的改變要受到限制和約束，設計變量在設計中的取值范圍、上下邊界也都必須有一定的限制，它們都是設計變量的函數(shù)。

為了保證幕墻結(jié)構(gòu)能正常工作，在設計每一構(gòu)件時，首先要使構(gòu)件在外力作用下不破壞，即每一構(gòu)件要有足夠的強度。第二要考慮構(gòu)件在外力作用下要變形，但變形不能超過某一允許范圍，即每一構(gòu)件要有足夠的剛度。最后，構(gòu)件在外力作用下，可能原來的形狀不能繼續(xù)維持而要突然改變，即原來的平衡形式不能保持穩(wěn)定。幕墻構(gòu)件設計時，應當考慮以上三方面以及參數(shù)本身、構(gòu)造方面的要求，以數(shù)學表達式的方式寫出。但對具體工程的具體構(gòu)件，往往有時只考慮某些主要方面，有時可以以強度為主要的，有時則可能以剛度為主要的。假如所設計的構(gòu)件能符合強度、剛度和穩(wěn)定性的要求，就認為設計是安全的。

一般而言，梁在設計中應考率強度、剛度、整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定。軸心受拉構(gòu)件應考慮強度和剛度。軸心受壓構(gòu)件應考慮強度、整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定和剛度。拉彎構(gòu)件應考慮強度和剛度。壓彎構(gòu)件應考慮強度、整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定和剛度。

幕墻結(jié)構(gòu)的連接通常有焊接、鉚釘連接和螺栓連接。與主體結(jié)構(gòu)的連接有前置式的預埋件連接，后置式的膨脹螺栓連接（有的省市禁用）、化學錨栓連接、穿透螺栓連接等。

約束條件的建立主要依據(jù)《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》（JGJ102-2003）、《金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》（JGJ133-2001）、《點支式玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)程》（CECS127：2001）、《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》（GB50017-2003）、《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ99-98）等相關(guān)國家和行業(yè)標準的要求。

4．優(yōu)化方法

尋求的過程，是設計編寫計算機程序，然后在計算機上完成的，軟件的設計是件十分繁重的工作，是應用最優(yōu)化方法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和難點。

我們設計、編寫了通用軟件，用于建筑幕墻的優(yōu)化設計。這套軟件可用于一維問題、n維問題，線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃，無約束問題、有約束問題，等式約束和不等式約束問題。應用結(jié)果表明，軟件有以下特點：實用性強、通用性好，收斂速度快、數(shù)位穩(wěn)定性好、計算精確度高，便于操作、效果明顯。

5．優(yōu)化結(jié)果的分析評判

對優(yōu)化的結(jié)果要檢查與評價其合理性，對所得到的優(yōu)化參數(shù)要考慮是否需進行調(diào)整或圓整，要考證優(yōu)化結(jié)果的正確性和實用性。

三、結(jié)束語

建筑幕墻是關(guān)系到人民生命財產(chǎn)安全的行業(yè)，國家實行生產(chǎn)許可證制。對建筑幕墻的要求是，安全可靠，實用美觀和經(jīng)濟合理。

當前，建筑幕墻市場供求不平衡，“粥少僧多”，競爭激烈，相互壓價，有的地方單價已經(jīng)壓得很低，若低價中標，再憑主觀臆斷降低材料的質(zhì)量和數(shù)量，將會埋下嚴重的質(zhì)量隱患。

建筑幕墻作為一種結(jié)構(gòu)，假如過于保守地強調(diào)安全可靠，強度儲備過大，選用了過大的截面尺寸或者優(yōu)質(zhì)材料，就意味著過重的結(jié)構(gòu)重量或材料費用，勢必造成成本的加大，材料的浪費，經(jīng)濟上的損失和效益的低下。

但如果片面地、盲目地追求經(jīng)濟效益和利潤，甚至偷工減料，就可能使得工程不安全，最終會釀成質(zhì)量事故。

優(yōu)化設計就是解決安全與經(jīng)濟效益之間矛盾的最佳選擇，在確保安全可靠的前提下，獲取極大的經(jīng)濟效益。所謂“君子愛財，以道取之。”

實踐表明，最優(yōu)化設計除安全適用外，可做到重量最輕（可節(jié)省10%～14%左右的材料）、成本最低、節(jié)省能源、加工制作和安裝施工勞動力最省、工期最短。使建筑幕墻設計做到技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、安全適用、確保質(zhì)量。