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
數(shù)學(xué)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(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
=[x1，x2，…,xn]T是設(shè)計(jì)變量。
幕墻的一個設(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)變量的個數(shù)就是優(yōu)化問題的維數(shù),若有n個設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)變量的個數(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。
3．約束條件
約束條件也叫約束函數(shù)，是設(shè)計(jì)變量本身或者設(shè)計(jì)變量之間應(yīng)遵循的限制條件的數(shù)學(xué)表達(dá)式。
在優(yōu)化過程中，設(shè)計(jì)變量不斷改變其數(shù)值，以望達(dá)到目標(biāo)函數(shù)的最小值。但設(shè)計(jì)變量的改變要受到限制和約束，設(shè)計(jì)變量在設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)變量的函數(shù)。
為了保證幕墻結(jié)構(gòu)能正常工作，在設(shè)計(jì)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(qiáng)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(shè)計(jì)時，應(yīng)當(dāng)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(xué)表達(dá)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(qiáng)度為主要的，有時則可能以剛度為主要的。假如所設(shè)計(jì)的構(gòu)件能符合強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的要求，就認(rèn)為設(shè)計(jì)是安全的。
一般而言，梁在設(shè)計(jì)中應(yīng)考率強(qiáng)度、剛度、整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定。軸心受拉構(gòu)件應(yīng)考慮強(qiáng)度和剛度。軸心受壓構(gòu)件應(yīng)考慮強(qiáng)度、整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定和剛度。拉彎構(gòu)件應(yīng)考慮強(qiáng)度和剛度。壓彎構(gòu)件應(yīng)考慮強(qiáng)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(yù)埋件連接，后置式的膨脹螺栓連接（有的省市禁用）、化學(xué)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(diǎn)支式玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)程》（CECS127：2001）、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)的要求。
4．優(yōu)化方法
尋求的過程，是設(shè)計(jì)編寫計(jì)算機(jī)程序，然后在計(jì)算機(jī)上完成的，軟件的設(shè)計(jì)是件十分繁重的工作，是應(yīng)用最優(yōu)化方法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和難點(diǎn)。
我們設(shè)計(jì)、編寫了通用軟件，用于建筑幕墻的優(yōu)化設(shè)計(jì)。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(yīng)用結(jié)果表明，軟件有以下特點(diǎn)：實(shí)用性強(qiáng)、通用性好，收斂速度快、數(shù)位穩(wěn)定性好、計(jì)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(jìn)行調(diào)整或圓整，要考證優(yōu)化結(jié)果的正確性和實(shí)用性。
三、結(jié)束語
建筑幕墻是關(guān)系到人民生命財(cái)產(chǎn)安全的行業(yè)，國家實(shí)行生產(chǎn)許可證制。對建筑幕墻的要求是，安全可靠，實(shí)用美觀和經(jīng)濟(jì)合理。
當(dāng)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(biāo)，再憑主觀臆斷降低材料的質(zhì)量和數(shù)量，將會埋下嚴(yán)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(qiáng)調(diào)安全可靠，強(qiáng)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(fèi)用，勢必造成成本的加大，材料的浪費(fèi)，經(jīng)濟(jì)上的損失和效益的低下。
但如果片面地、盲目地追求經(jīng)濟(jì)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(shè)計(jì)就是解決安全與經(jīng)濟(jì)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(jì)效益。所謂“君子愛財(cái)，以道取之。”
實(shí)踐表明，最優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)做到技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全適用、確保質(zhì)量。
