建筑幕墻完善規劃

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一、概述

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

尋求最優方案的方法是最優化方法，最優化的理論和方法是隨著計算機的迅速普及而發展起來的，正因為最優化的宗旨是追求最優目標，這就決定了它的應用價值，最優化問題的解決意味著在相同條件下獲得最優的方案、最好的效果和最優的經濟指標。最優化的應用和推廣，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驗數據，進行分析對比，從而確定所需的設計參數。也有選擇有限的幾種方案進行計算，最后根據設計要求確定一組較好的設計參數。一般來說，這樣確定的設計方案，不是最佳的設計方案。但是，如果采用最優化方法進行設計，則可以獲得最佳的設計方案。

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

二、建筑幕墻優化設計一般步驟

數學模型的一般形式：

minf（）

∈En

其中，=[x1，x2，x3，…,xn]T

s.t.

Si()≥0i=1,2,…,m

hj()=0j=1,2,…,l(l﹤n)

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

1．目標函數

目標函數是設計所追求的目標，它是用來衡量設計方案優劣的目標。幕墻優化設計可以是優化結構形式、確定優化的截面尺寸、成本最低、生產率最高等。

目標函數分單目標函數和多目標函數。單目標函數的求解比較簡明準確，而多目標函數的求解比較繁瑣。

當前，幕墻優化設計開展的工作主要是優化截面尺寸，使得幕墻的結構重量最輕。

2．設計變量

=[x1，x2，…,xn]T是設計變量。

幕墻的一個設計方案,一般可用一組參數來表示,在這些參數中,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α、材料的強度設計值等等；有些參數實質上不是常量,但在某些具體問題中可以看成常量,如風荷載,它是與地區、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。另一類是在優化過程中經過逐步調整、最后達到最優值的獨立參數,叫做設計變量。優化設計的目的就是使各個設計變量達到最優的組合。優化截面尺寸的設計中,截面的幾何參數、物理參數就是設計變量。

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,此外還有使結構產生變形和內力的作用,有地震作用、溫度作用。如果取值過大,所設計的結構尺寸會偏大,造成浪費；如果過小,則所設計的結構不夠安全。

設計變量的個數就是優化問題的維數,若有n個設計變量X1,X2,…,Xn的優化問題,變量按一定次序排列就構成一個數組.設計變量的個數越多,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,優化計算更加困難,所以,應盡量減少設計變量的數目,將一些參數定為設計常量,而只將那些對目標函數影響較大的設計參數確定為設計變量,以使優化設計容易進行。

3．約束條件

約束條件也叫約束函數，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學表達式。

在優化過程中，設計變量不斷改變其數值，以望達到目標函數的最小值。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。

為了保證幕墻結構能正常工作，在設計每一構件時，首先要使構件在外力作用下不破壞，即每一構件要有足夠的強度。第二要考慮構件在外力作用下要變形，但變形不能超過某一允許范圍，即每一構件要有足夠的剛度。最后，構件在外力作用下，可能原來的形狀不能繼續維持而要突然改變，即原來的平衡形式不能保持穩定。幕墻構件設計時，應當考慮以上三方面以及參數本身、構造方面的要求，以數學表達式的方式寫出。但對具體工程的具體構件，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。假如所設計的構件能符合強度、剛度和穩定性的要求，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、整體穩定、局部穩定。軸心受拉構件應考慮強度和剛度。軸心受壓構件應考慮強度、整體穩定、局部穩定和剛度。拉彎構件應考慮強度和剛度。壓彎構件應考慮強度、整體穩定、局部穩定和剛度。

幕墻結構的連接通常有焊接、鉚釘連接和螺栓連接。與主體結構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《玻璃幕墻工程技術規范》（JGJ102-2003）、《金屬與石材幕墻工程技術規范》（JGJ133-2001）、《點支式玻璃幕墻工程技術規程》（CECS127：2001）、《鋼結構設計規范》（GB50017-2003）、《高層民用建筑鋼結構技術規程》（JGJ99-98）等相關國家和行業標準的要求。

4．優化方法

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，是應用最優化方法的關鍵環節和難點。

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

5．優化結果的分析評判

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

三、結束語

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

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，有的地方單價已經壓得很低，若低價中標，再憑主觀臆斷降低材料的質量和數量，將會埋下嚴重的質量隱患。

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

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

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

實踐表明，最優化設計除安全適用外，可做到重量最輕（可節省10%～14%左右的材料）、成本最低、節省能源、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先進、經濟合理、安全適用、確保質量。