學科設計優(yōu)化在建筑工程設計中的應用
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摘要：目前在建筑工程設計過程中，會有許多種學科參與進來，并且是需要共同完成的環(huán)節(jié)。在建筑工程設計當中，使用多學科進行設計優(yōu)化時，需要根據(jù)建筑設計環(huán)節(jié)中關聯(lián)到的全部學科之間的聯(lián)系，進行全面探索，從而建立健全的參數(shù)化信息模型。
關鍵詞：多學科；設計優(yōu)化；建筑工程設計；應用
由于不同學科之間所產(chǎn)生的效應相比于獨立學科，能夠擁有更大的效應，因此建筑工程在進行設計時，肯定會是在多學科設計基礎上，向著整合和優(yōu)化的方向進行發(fā)展，在某種程度上可以使建設設計中的全部環(huán)節(jié)都能夠產(chǎn)生最大的效應。
在建筑設計過程中，探索工程系統(tǒng)當中的各個相互作用下的協(xié)同機制，從而設計出比較復雜的系統(tǒng)和子系統(tǒng)方法理論，我們將之稱作多學科設計優(yōu)化，又名MDO。在建筑設計領域當中，應用多學科設計，可以將各個學科之間的相互作用進行充分開發(fā)和利用，從而可以實現(xiàn)最好的協(xié)調效應，優(yōu)化和整合建筑設計系統(tǒng)，MDO技術完成了多學科并進設計，將設計時間節(jié)省了下來，使設計效果得到了增強。在建設項目設計過程中，主要分為三個設計階段，分別是方案設計、初步設計和施工圖紙設計，在設計時會應用到多方面知識。在設計方案時，會涉及到建筑學和經(jīng)濟學等方面的知識；在設計施工圖紙時，會涉及到結構力學、施工暖通和流體等方面的知識。因此，在建設過程設計過程中，囊括了多方面知識。現(xiàn)如今，在設計中多學科知識的應用并沒有完成綜合整合優(yōu)化，各學科之間會有交流的障礙，致使建設過程設計耗時長、效率低以及投入大。在進行建設過程設計時，想要改變這種現(xiàn)狀，必須實現(xiàn)各學科間信息共享。而多學科優(yōu)化理論使建筑工程設計現(xiàn)狀得到了有效改善，在經(jīng)過發(fā)展之后，充分發(fā)揮出了設計中的各個資源優(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題中應用各學科的聯(lián)系，MDO重視各個學科之間的聯(lián)系、作用和綜合效應，多學科優(yōu)化設計可以影響到建筑設計環(huán)節(jié)當中的每個環(huán)節(jié)[1]。
2在建筑工程設計中多學科設計優(yōu)化的優(yōu)勢
在建筑工程項目設計時，傳統(tǒng)的建筑工程設計方式分為三個階段，會先提出來設計建議，再根據(jù)提出的設計建議展開詳細分析，最后做出相應的決策。①建筑工程項目進行專業(yè)設計時，應根據(jù)業(yè)主方面的相關需求，確定下來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，要嚴格關注設計方案，不應該只是對整體項目進行分析。在傳統(tǒng)的建筑工程設計當中，在執(zhí)行以及管理信息中會浪費掉大量的時間，留給評價方面的時間卻很少?？墒窍胍_使用多學科設計優(yōu)化技術，對工程項目設計過程中，就會按照以下幾個方法展開相應的流程：在選擇參數(shù)時，需要按照設計空間要求，接下來便對這些參數(shù)進行分析，在建立健全的幾何模型時，采取參數(shù)化CAD[2]。在建筑工程設計集合模型階段，使用多個學科來展開綜合性分析流程，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(shù)配置時，需要進行合理的控制，最后便能通過優(yōu)化器反饋出空間的最優(yōu)位置。多學科設計優(yōu)化技術，工程師不用根據(jù)經(jīng)驗也能控制好每一項參數(shù)，只要對相應的參數(shù)以及規(guī)則進行輔助，就可以實現(xiàn)我們想要的效果，從而對結果進行合理解析。
3在建筑工程設計中多學科設計優(yōu)化的應用
3.1多學科耦合
在正常情況，想要實現(xiàn)整體性最優(yōu)解，每個學科之間都是相互獨立的，不會存在耦合關系。這時，就需要將系統(tǒng)中的目標變成學科目標中的增函數(shù)。因此，想要實現(xiàn)學科和學科間的耦合，必須開展協(xié)調優(yōu)化，使用學科之間的耦合關系降低概率，從而促進最優(yōu)化。這種方式能夠通過學科等級進行相應的優(yōu)化，在協(xié)調系統(tǒng)級時，利用松弛因子實現(xiàn)。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(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，設計人員必須根據(jù)實際需求，在總體投資成本和運營成本當中尋找那個平衡點。多學科設計優(yōu)化會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計方案。
3.2建立模型
建筑模型便是建筑信息模型，是通過對象化數(shù)字物體描述和表現(xiàn)真實世界里的建筑構件，參數(shù)建模是關系數(shù)據(jù)庫和行為模型動態(tài)捕捉和表現(xiàn)所需建筑信息。在多學科設計優(yōu)化中，采用參數(shù)化技術建筑模型具有真實世界的屬性以及行為，且參數(shù)化模型能夠智能化識別構件特征和作用規(guī)則，因此參數(shù)化模型能夠保持在真實世界構件的相互關系，在對建筑構件進行管理時，保持最開始時設計意圖的智能性，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，使人類智能參與需求得到滿足，多學科產(chǎn)品一般都會建立比較合適的產(chǎn)品設計對象樹，并且它的每個設計對象都含有約束、參數(shù)、方法和目標集合[3]。
3.3劃分模塊
在設計階段，根據(jù)多學科特性和相關要求，依照建筑工程項目的作用，將原有的系統(tǒng)劃分成不同的子系統(tǒng)。并將獨立求解的子系統(tǒng)放到首要位置，在此同時開展相應的優(yōu)化流程，再對耦合的每個子系統(tǒng)間的對應關系進行分析，最后協(xié)調整個耦合變量，只有這樣才能滿足每個子系統(tǒng)相應的目標，應用這種方式能夠將總體最優(yōu)解。例如在建設長方形教室時，將會給出能源和結構這兩個子系統(tǒng)，進行獨立分析和優(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、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)，其目標功能便是實現(xiàn)整體壽命運營成本的最小化。其中設計空間是長方形房間，并且在兩面墻面上有窗戶，其窗戶是在墻面正中央，窗戶比例也會受到墻影響，墻、屋頂以及地面會作為單獨平面進行建模[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，長方形教室進行幾何設計時，可以使用參數(shù)化CAD軟件設計，其結構幾何模型當中的自變量便是教師長。如果將教室的幾何形狀進行更改，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(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，在模型中每一個結構部件都需要對參數(shù)化荷載控制板進行自定義，并且控制板區(qū)域要一一對應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行自動更新。
4建筑工程在設計優(yōu)化時注意事項
①將設計中標方案進行完善，設計方案是用來招標的，中標方案并不一定會最好和最完善，受到某些因素影響，設計單位時間緊迫，并不能在有效的時間內充分掌握建設單位意圖，在這樣的情況下，設計方案會滿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(xù)設計活動，需要對中標設計方案進行優(yōu)化和完善。②對建設單位技術方面的要求要明確，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，在還沒有建筑設計雛形時，建設單位并沒有明確的技術要求，招標文件中的要求也很模糊，它只是個大致框架，沒有具體的內容，因此優(yōu)化建筑工程設計方案，可以對技術要求和功能要求有個大致了解[5]。
5結束語
總而言之，在建筑工程設計過程中，MDO技術具有絕大的應用優(yōu)勢，它使設計所需的循環(huán)時間得到了極大的縮短，使整個產(chǎn)品質量都得到了優(yōu)化，可以方便我們開發(fā)出更多可操作性替代方案。同時，MDO技術還能將建筑工程當中的管理組織結構進行優(yōu)化，并顯現(xiàn)出工程當中的沖突和變更。另外，MDO技術可以實現(xiàn)信息的自動化，將決策的科學性提高。在建筑設計過程中，應用MDO這一技術，可以更加確定工程項目中的拓撲圖和各項復雜參數(shù)，且技術人員還有面臨龐大解空間以及運算時間的挑戰(zhàn)。但是在建筑工程設計中，MDO技術的應用優(yōu)勢，會讓MDO技術變得更加成熟。
參考文獻
[1]楊磊，韋喜忠，趙峰，等.多學科設計優(yōu)化算法研究綜述[J].艦船科學技術，2017，39（2）：1~5，47.
[2]馬國棟.基于多學科設計優(yōu)化方法的工程總承包項目設計管理研究[D].南開大學，2013.
[3]金剛.多學科設計優(yōu)化在建筑工程設計中的應用分析[J].建材發(fā)展導向（上），2015（6）：192~193.
[4]代吉敏，馬子乾.多學科設計優(yōu)化在建筑工程設計中的應用[J].城市建設理論研究（電子版），2015（15）：5721.
[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.
作者:邱玲 單位:重慶市九龍坡區(qū)
