學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化在建筑工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

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摘要：目前在建筑工程設(shè)計(jì)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(jié)。在建筑工程設(shè)計(jì)當(dāng)中，使用多學(xué)科進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)，需要根據(jù)建筑設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)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(shù)化信息模型。

關(guān)鍵詞：多學(xué)科；設(shè)計(jì)優(yōu)化；建筑工程設(shè)計(jì)；應(yīng)用

由于不同學(xué)科之間所產(chǎn)生的效應(yīng)相比于獨(dú)立學(xué)科，能夠擁有更大的效應(yīng)，因此建筑工程在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，肯定會(huì)是在多學(xué)科設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，向著整合和優(yōu)化的方向進(jìn)行發(fā)展，在某種程度上可以使建設(shè)設(shè)計(jì)中的全部環(huán)節(jié)都能夠產(chǎn)生最大的效應(yīng)。

1在建筑工程設(shè)計(jì)中多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的意義

在建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中，探索工程系統(tǒng)當(dāng)中的各個(gè)相互作用下的協(xié)同機(jī)制，從而設(shè)計(jì)出比較復(fù)雜的系統(tǒng)和子系統(tǒng)方法理論，我們將之稱作多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化，又名MDO。在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域當(dāng)中，應(yīng)用多學(xué)科設(shè)計(jì)，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(xiàn)最好的協(xié)調(diào)效應(yīng)，優(yōu)化和整合建筑設(shè)計(jì)系統(tǒng)，MDO技術(shù)完成了多學(xué)科并進(jìn)設(shè)計(jì)，將設(shè)計(jì)時(shí)間節(jié)省了下來(lái)，使設(shè)計(jì)效果得到了增強(qiáng)。在建設(shè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要分為三個(gè)設(shè)計(jì)階段，分別是方案設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)和施工圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)應(yīng)用到多方面知識(shí)。在設(shè)計(jì)方案時(shí)，會(huì)涉及到建筑學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)等方面的知識(shí)；在設(shè)計(jì)施工圖紙時(shí)，會(huì)涉及到結(jié)構(gòu)力學(xué)、施工暖通和流體等方面的知識(shí)。因此，在建設(shè)過(guò)程設(shè)計(jì)過(guò)程中，囊括了多方面知識(shí)?，F(xiàn)如今，在設(shè)計(jì)中多學(xué)科知識(shí)的應(yīng)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(shè)過(guò)程設(shè)計(jì)耗時(shí)長(zhǎng)、效率低以及投入大。在進(jìn)行建設(shè)過(guò)程設(shè)計(jì)時(shí)，想要改變這種現(xiàn)狀，必須實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)現(xiàn)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(shè)計(jì)中的各個(gè)資源優(yōu)勢(shì)，能夠合理配置設(shè)計(jì)資源結(jié)構(gòu)。這也改變了在建筑工程設(shè)計(jì)具體問(wèn)題中應(yīng)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(yīng)，多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)可以影響到建筑設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)當(dāng)中的每個(gè)環(huán)節(jié)[1]。

2在建筑工程設(shè)計(jì)中多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的優(yōu)勢(shì)

在建筑工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，傳統(tǒng)的建筑工程設(shè)計(jì)方式分為三個(gè)階段，會(huì)先提出來(lái)設(shè)計(jì)建議，再根據(jù)提出的設(shè)計(jì)建議展開(kāi)詳細(xì)分析，最后做出相應(yīng)的決策。①建筑工程項(xiàng)目進(jìn)行專業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)業(yè)主方面的相關(guān)需求，確定下來(lái)相應(yīng)的設(shè)計(jì)原則以及方法；②依照建筑工程項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的施工圖紙，從圖紙中獲取相應(yīng)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(shè)計(jì)人員和工程師，要明確是否對(duì)應(yīng)相應(yīng)的設(shè)計(jì)理念。建筑工程在設(shè)計(jì)階段，要嚴(yán)格關(guān)注設(shè)計(jì)方案，不應(yīng)該只是對(duì)整體項(xiàng)目進(jìn)行分析。在傳統(tǒng)的建筑工程設(shè)計(jì)當(dāng)中，在執(zhí)行以及管理信息中會(huì)浪費(fèi)掉大量的時(shí)間，留給評(píng)價(jià)方面的時(shí)間卻很少。可是想要正確使用多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)，對(duì)工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中，就會(huì)按照以下幾個(gè)方法展開(kāi)相應(yīng)的流程：在選擇參數(shù)時(shí)，需要按照設(shè)計(jì)空間要求，接下來(lái)便對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行分析，在建立健全的幾何模型時(shí)，采取參數(shù)化CAD[2]。在建筑工程設(shè)計(jì)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(jié)果之后，再計(jì)算材料、設(shè)備成本以及用量方面。在選擇新參數(shù)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(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)，工程師不用根據(jù)經(jīng)驗(yàn)也能控制好每一項(xiàng)參數(shù)，只要對(duì)相應(yīng)的參數(shù)以及規(guī)則進(jìn)行輔助，就可以實(shí)現(xiàn)我們想要的效果，從而對(duì)結(jié)果進(jìn)行合理解析。

3在建筑工程設(shè)計(jì)中多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的應(yīng)用

3.1多學(xué)科耦合

在正常情況，想要實(shí)現(xiàn)整體性最優(yōu)解，每個(gè)學(xué)科之間都是相互獨(dú)立的，不會(huì)存在耦合關(guān)系。這時(shí)，就需要將系統(tǒng)中的目標(biāo)變成學(xué)科目標(biāo)中的增函數(shù)。因此，想要實(shí)現(xiàn)學(xué)科和學(xué)科間的耦合，必須開(kāi)展協(xié)調(diào)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(jí)進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，在協(xié)調(diào)系統(tǒng)級(jí)時(shí)，利用松弛因子實(shí)現(xiàn)。優(yōu)化整合的目標(biāo)便是在結(jié)構(gòu)和能源可行的解空間尋找共同解空間，這是因?yàn)轳詈蠀?shù)具備沖突性。在共同解空間不能展現(xiàn)最優(yōu)解，只能在優(yōu)化解空間獲取。為此，設(shè)計(jì)人員必須根據(jù)實(shí)際需求，在總體投資成本和運(yùn)營(yíng)成本當(dāng)中尋找那個(gè)平衡點(diǎn)。多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化會(huì)找出直觀可靠的可視化替代方案和數(shù)據(jù)，從而尋找更加合適的設(shè)計(jì)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(duì)象化數(shù)字物體描述和表現(xiàn)真實(shí)世界里的建筑構(gòu)件，參數(shù)建模是關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)和行為模型動(dòng)態(tài)捕捉和表現(xiàn)所需建筑信息。在多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化中，采用參數(shù)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(shù)化模型能夠智能化識(shí)別構(gòu)件特征和作用規(guī)則，因此參數(shù)化模型能夠保持在真實(shí)世界構(gòu)件的相互關(guān)系，在對(duì)建筑構(gòu)件進(jìn)行管理時(shí)，保持最開(kāi)始時(shí)設(shè)計(jì)意圖的智能性，使設(shè)計(jì)工作的重復(fù)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，使人類智能參與需求得到滿足，多學(xué)科產(chǎn)品一般都會(huì)建立比較合適的產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)象樹(shù)，并且它的每個(gè)設(shè)計(jì)對(duì)象都含有約束、參數(shù)、方法和目標(biāo)集合[3]。

3.3劃分模塊

在設(shè)計(jì)階段，根據(jù)多學(xué)科特性和相關(guān)要求，依照建筑工程項(xiàng)目的作用，將原有的系統(tǒng)劃分成不同的子系統(tǒng)。并將獨(dú)立求解的子系統(tǒng)放到首要位置，在此同時(shí)開(kāi)展相應(yīng)的優(yōu)化流程，再對(duì)耦合的每個(gè)子系統(tǒng)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行分析，最后協(xié)調(diào)整個(gè)耦合變量，只有這樣才能滿足每個(gè)子系統(tǒng)相應(yīng)的目標(biāo)，應(yīng)用這種方式能夠?qū)⒖傮w最優(yōu)解。例如在建設(shè)長(zhǎng)方形教室時(shí)，將會(huì)給出能源和結(jié)構(gòu)這兩個(gè)子系統(tǒng)，進(jìn)行獨(dú)立分析和優(yōu)化。

3.3.1能源

在能源設(shè)計(jì)階段分為：幾何設(shè)計(jì)、能源分析以及優(yōu)化，其中幾何設(shè)計(jì)中所涉及到的自變量包括：教室長(zhǎng)、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(shù)，其目標(biāo)功能便是實(shí)現(xiàn)整體壽命運(yùn)營(yíng)成本的最小化。其中設(shè)計(jì)空間是長(zhǎng)方形房間，并且在兩面墻面上有窗戶，其窗戶是在墻面正中央，窗戶比例也會(huì)受到墻影響，墻、屋頂以及地面會(huì)作為單獨(dú)平面進(jìn)行建模[4]。

3.3.2結(jié)構(gòu)

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段包含：幾何設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，長(zhǎng)方形教室進(jìn)行幾何設(shè)計(jì)時(shí)，可以使用參數(shù)化CAD軟件設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)幾何模型當(dāng)中的自變量便是教師長(zhǎng)。如果將教室的幾何形狀進(jìn)行更改，就需要我們?nèi)ジ淖兘Y(jié)構(gòu)部件的荷載分布，這便是在結(jié)構(gòu)模型中需要面臨的挑戰(zhàn)之一。為保證幾何形體所涉及的全部荷載分布保持其穩(wěn)定，在模型中每一個(gè)結(jié)構(gòu)部件都需要對(duì)參數(shù)化荷載控制板進(jìn)行自定義，并且控制板區(qū)域要一一對(duì)應(yīng)教室支撐部件荷載分布，而且要根據(jù)教室?guī)缀涡螤畹母淖冞M(jìn)行自動(dòng)更新。

4建筑工程在設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)注意事項(xiàng)

①將設(shè)計(jì)中標(biāo)方案進(jìn)行完善，設(shè)計(jì)方案是用來(lái)招標(biāo)的，中標(biāo)方案并不一定會(huì)最好和最完善，受到某些因素影響，設(shè)計(jì)單位時(shí)間緊迫，并不能在有效的時(shí)間內(nèi)充分掌握建設(shè)單位意圖，在這樣的情況下，設(shè)計(jì)方案會(huì)滿足不了建設(shè)單位的需求，為此想要使設(shè)計(jì)方案變得有深度，確保有效銜接后續(xù)設(shè)計(jì)活動(dòng)，需要對(duì)中標(biāo)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化和完善。②對(duì)建設(shè)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(fù)雜繁瑣的設(shè)計(jì)方案，在還沒(méi)有建筑設(shè)計(jì)雛形時(shí)，建設(shè)單位并沒(méi)有明確的技術(shù)要求，招標(biāo)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(nèi)容，因此優(yōu)化建筑工程設(shè)計(jì)方案，可以對(duì)技術(shù)要求和功能要求有個(gè)大致了解[5]。

5結(jié)束語(yǔ)

總而言之，在建筑工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，MDO技術(shù)具有絕大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，它使設(shè)計(jì)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(dāng)中的管理組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并顯現(xiàn)出工程當(dāng)中的沖突和變更。另外，MDO技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)信息的自動(dòng)化，將決策的科學(xué)性提高。在建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)用MDO這一技術(shù)，可以更加確定工程項(xiàng)目中的拓?fù)鋱D和各項(xiàng)復(fù)雜參數(shù)，且技術(shù)人員還有面臨龐大解空間以及運(yùn)算時(shí)間的挑戰(zhàn)。但是在建筑工程設(shè)計(jì)中，MDO技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，會(huì)讓MDO技術(shù)變得更加成熟。

參考文獻(xiàn)

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[5]鄧雪松.淺談如何優(yōu)化建筑工程設(shè)計(jì)[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2015（25）：1180~1181.

作者:邱玲 單位:重慶市九龍坡區(qū)