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建筑幕墙优化设计

来源:中国幕墙网收集整理  作者:傅 冬 傅德安  日期:2006-7-31
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    一、概  述
    建筑幕墙的优化设计是最优化设计方法在建筑幕墙设计领域的应用。幕墙的最优化设计,简单的说,就是从所有可能的设计方案中,寻求最优的设计方案,以最大限度地满足设计所提出的目标。
    寻求最优方案的方法是最优化
    3.约束条件
    约束条件也叫约束函数,是设计变量本身或者设计变量之间应遵循的限制条件的数学表达式。

    在优化过程中,设计变量不断改变其数值,以望达到目标函数的最小值。但设计变量的改变要受到限制和约束,设计变量在设计中的取值范围、上下边界也都必须有一定的限制,它们都是设计变量的函数。

    为了保证幕墙结构能正常工作,在设计每一构件时,首先要使构件在外力作用下不破坏,即每一构件要有足够的强度。第二要考虑构件在外力作用下要变形,但变形不能超过某一允许范围,即每一构件要有足够的刚度。最后,构件在外力作用下,可能原来的形状不能继续维持而要突然改变,即原来的平衡形式不能保持稳定。幕墙构件设计时,应当考虑以上三方面以及参数本身、构造方面的要求,以数学表达式的方式写出。但对具体工程的具体构件,往往有时只考虑某些主要方面,有时可以以强度为主要的,有时则可能以刚度为主要的。假如所设计的构件能符合强度、刚度和稳定性的要求,就认为设计是安全的。

    一般而言,梁在设计中应考率强度、刚度、整体稳定、局部稳定。轴心受拉构件应考虑强度和刚度。轴心受压构件应考虑强度、整体稳定、局部稳定和刚度。拉弯构件应考虑强度和刚度。压弯构件应考虑强度、整体稳定、局部稳定和刚度。

幕墙结构的连接通常有焊接、铆钉连接和螺栓连接。与主体结构的连接有前置式的预埋件连接,后置式的膨胀螺栓连接(有的省市禁用)、化学锚栓连接、穿透螺栓连接等。

    约束条件的建立主要依据《玻璃幕墙工程技术规范》(JGJ102-2003)、《金属与石材幕墙工程技术规范》(JGJ133-2001)、《点支式玻璃幕墙工程技术规程》(CECS127:2001)、《钢结构设计规范》(GB50017-2003)、《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ99-98)等相关国家和行业标准的要求。

    4.优化方法
    寻求的过程,是设计编写计算机程序,然后在计算机上完成的,软件的设计是件十分繁重的工作,是应用最优化方法的关键环节和难点。

我们设计、编写了通用软件,用于建筑幕墙的优化设计。这套软件可用于一维问题、n维问题,线性规划、非线性规划,无约束问题、有约束问题,等式约束和不等式约束问题。应用结果表明,软件有以下特点:实用性强、通用性好,收敛速度快、数位稳定性好、计算精确度高,便于操作、效果明显。

    5.优化结果的分析评判
    对优化的结果要检查与评价其合理性,对所得到的优化参数要考虑是否需进行调整或圆整,要考证优化结果的正确性和实用性。

    三、结 束 语
    建筑幕墙是关系到人民生命财产安全的行业,国家实行生产许可证制。对建筑幕墙的要求是,安全可靠,实用美观和经济合理。

    当前,建筑幕墙市场供求不平衡,“粥少僧多”,竞争激烈,相互压价,有的地方单价已经压得很低,若低价中标,再凭主观臆断降低材料的质量和数量,将会埋下严重的质量隐患。

    建筑幕墙作为一种结构,假如过于保守地强调安全可靠,强度储备过大,选用了过大的截面尺寸或者优质材料,就意味着过重的结构重量或材料费用,势必造成成本的加大,材料的浪费,经济上的损失和效益的低下。

    但如果片面地、盲目地追求经济效益和利润,甚至偷工减料,就可能使得工程不安全,最终会酿成质量事故。

    优化设计就是解决安全与经济效益之间矛盾的最佳选择,在确保安全可靠的前提下,获取极大的经济效益。所谓“君子爱财,以道取之。”

    实践表明,最优化设计除安全适用外,可做到重量最轻(可节省10%~14%左右的材料)、成本最低、节省能源、加工制作和安装施工劳动力最省、工期最短。使建筑幕墙设计做到技术先进、经济合理、安全适用、确保质量。

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