學(xué)科設(shè)計優(yōu)化在建筑工程設(shè)計中的應(yīng)用論文
摘要：目前在建筑工程設(shè)計過程中，會有許多種學(xué)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(shè)計當(dāng)中，使用多學(xué)科進行設(shè)計優(yōu)化時，需要根據(jù)建筑設(shè)計環(huán)節(jié)中關(guān)聯(lián)到的全部學(xué)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(guān)鍵詞：多學(xué)科；設(shè)計優(yōu)化；建筑工程設(shè)計；應(yīng)用
由于不同學(xué)科之間所產(chǎn)生的效應(yīng)相比于獨立學(xué)科，能夠擁有更大的效應(yīng)，因此建筑工程在進行設(shè)計時，肯定會是在多學(xué)科設(shè)計基礎(chǔ)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(shè)設(shè)計中的全部環(huán)節(jié)都能夠產(chǎn)生最大的效應(yīng)。
1在建筑工程設(shè)計中多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化的意義
在建筑設(shè)計過程中，探索工程系統(tǒng)當(dāng)中的各個相互作用下的協(xié)同機制，從而設(shè)計出比較復(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)計優(yōu)化，又名MDO。在建筑設(shè)計領(lǐng)域當(dāng)中，應(yīng)用多學(xué)科設(shè)計，可以將各個學(xué)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(diào)效應(yīng)，優(yōu)化和整合建筑設(shè)計系統(tǒng)，MDO技術(shù)完成了多學(xué)科并進設(shè)計，將設(shè)計時間節(jié)省了下來，使設(shè)計效果得到了增強。在建設(shè)項目設(shè)計過程中，主要分為三個設(shè)計階段，分別是方案設(shè)計、初步設(shè)計和施工圖紙設(shè)計，在設(shè)計時會應(yīng)用到多方面知識。在設(shè)計方案時，會涉及到建筑學(xué)和經(jīng)濟學(xué)等方面的知識；在設(shè)計施工圖紙時，會涉及到結(jié)構(gòu)力學(xué)、施工暖通和流體等方面的知識。因此，在建設(shè)過程設(shè)計過程中，囊括了多方面知識。現(xiàn)如今，在設(shè)計中多學(xué)科知識的應(yīng)用并沒有完成綜合整合優(yōu)化，各學(xué)科之間會有交流的障礙，致使建設(shè)過程設(shè)計耗時長、效率低以及投入大。在進行建設(shè)過程設(shè)計時，想要改變這種現(xiàn)狀，必須實現(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(shè)計中的各個資源優(yōu)勢，能夠合理配置設(shè)計資源結(jié)構(gòu)。這也改變了在建筑工程設(shè)計具體問題中應(yīng)用各學(xué)科的聯(lián)系，MDO重視各個學(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)計可以影響到建筑設(shè)計環(huán)節(jié)當(dāng)中的每個環(huán)節(jié)[1]。
2在建筑工程設(shè)計中多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化的優(yōu)勢
在建筑工程項目設(shè)計時，傳統(tǒng)的建筑工程設(shè)計方式分為三個階段，會先提出來設(shè)計建議，再根據(jù)提出的設(shè)計建議展開詳細分析，最后做出相應(yīng)的決策。①建筑工程項目進行專業(yè)設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)業(yè)主方面的相關(guān)需求，確定下來相應(yīng)的設(shè)計原則以及方法；②依照建筑工程項目所設(shè)計的施工圖紙，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)計人員和工程師，要明確是否對應(yīng)相應(yīng)的設(shè)計理念。建筑工程在設(shè)計階段，要嚴(yán)格關(guān)注設(shè)計方案，不應(yīng)該只是對整體項目進行分析。在傳統(tǒng)的建筑工程設(shè)計當(dāng)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(xué)科設(shè)計優(yōu)化技術(shù)，對工程項目設(shè)計過程中，就會按照以下幾個方法展開相應(yīng)的流程：在選擇參數(shù)時，需要按照設(shè)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(shè)計集合模型階段，使用多個學(xué)科來展開綜合性分析流程，在得出結(jié)果之后，再計算材料、設(shè)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(xué)科設(shè)計優(yōu)化技術(shù)，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(yīng)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(jié)果進行合理解析。
3在建筑工程設(shè)計中多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化的應(yīng)用
3.1多學(xué)科耦合
在正常情況，想要實現(xiàn)整體性最優(yōu)解，每個學(xué)科之間都是相互獨立的，不會存在耦合關(guān)系。這時，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，想要實現(xiàn)學(xué)科和學(xué)科間的耦合，必須開展協(xié)調(diào)優(yōu)化，使用學(xué)科之間的耦合關(guān)系降低概率，從而促進最優(yōu)化。這種方式能夠通過學(xué)科等級進行相應(yīng)的優(yōu)化，在協(xié)調(diào)系統(tǒng)級時，利用松弛因子實現(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(shè)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(dāng)中尋找那個平衡點。多學(xué)科設(shè)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(shè)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(gòu)件，參數(shù)建模是關(guān)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(xué)科設(shè)計優(yōu)化中，采用參數(shù)化技術(shù)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(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世界構(gòu)件的相互關(guān)系，在對建筑構(gòu)件進行管理時，保持最開始時設(shè)計意圖的智能性，使設(shè)計工作的重復(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)品一般都會建立比較合適的產(chǎn)品設(shè)計對象樹，并且它的每個設(shè)計對象都含有約束、參數(shù)、方法和目標(biāo)集合[3]。
3.3劃分模塊
在設(shè)計階段，根據(jù)多學(xué)科特性和相關(guān)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(yīng)的優(yōu)化流程，再對耦合的每個子系統(tǒng)間的對應(yīng)關(guān)系進行分析，最后協(xié)調(diào)整個耦合變量，只有這樣才能滿足每個子系統(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)長方形教室時，將會給出能源和結(jié)構(gòu)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(shè)計階段分為：幾何設(shè)計、能源分析以及優(yōu)化，其中幾何設(shè)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(biāo)功能便是實現(xiàn)整體壽命運營成本的最小化。其中設(shè)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(jié)構(gòu)
在結(jié)構(gòu)設(shè)計階段包含：幾何設(shè)計、結(jié)構(gòu)分析以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，長方形教室進行幾何設(shè)計時，可以使用參數(shù)化CAD軟件設(shè)計，其結(jié)構(gòu)幾何模型當(dāng)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?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，在模型中每一個結(jié)構(gòu)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(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行自動更新。
4建筑工程在設(shè)計優(yōu)化時注意事項
�、賹⒃O(shè)計中標(biāo)方案進行完善，設(shè)計方案是用來招標(biāo)的，中標(biāo)方案并不一定會最好和最完善，受到某些因素影響，設(shè)計單位時間緊迫，并不能在有效的時間內(nèi)充分掌握建設(shè)單位意圖，在這樣的情況下，設(shè)計方案會滿足不了建設(shè)單位的需求，為此想要使設(shè)計方案變得有深度，確保有效銜接后續(xù)設(shè)計活動，需要對中標(biāo)設(shè)計方案進行優(yōu)化和完善。②對建設(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)計方案，在還沒有建筑設(shè)計雛形時，建設(shè)單位并沒有明確的技術(shù)要求，招標(biāo)文件中的要求也很模糊，它只是個大致框架，沒有具體的內(nèi)容，因此優(yōu)化建筑工程設(shè)計方案，可以對技術(shù)要求和功能要求有個大致了解[5]。
5結(jié)束語
總而言之，在建筑工程設(shè)計過程中，MDO技術(shù)具有絕大的應(yīng)用優(yōu)勢，它使設(shè)計所需的循環(huán)時間得到了極大的縮短，使整個產(chǎn)品質(zhì)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(shù)還能將建筑工程當(dāng)中的管理組織結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，并顯現(xiàn)出工程當(dāng)中的沖突和變更。另外，MDO技術(shù)可以實現(xiàn)信息的自動化，將決策的科學(xué)性提高。在建筑設(shè)計過程中，應(yīng)用MDO這一技術(shù)，可以更加確定工程項目中的拓撲圖和各項復(fù)雜參數(shù)，且技術(shù)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(shè)計中，MDO技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢，會讓MDO技術(shù)變得更加成熟。
參考文獻
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