学科设计优化在建筑工程设计中的应用

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摘要：目前在建筑工程设计过程中，会有许多种学科参与进来，并且是需要共同完成的环节。在建筑工程设计当中，使用多学科进行设计优化时，需要根据建筑设计环节中关联到的全部学科之间的联系，进行全面探索，从而建立健全的参数化信息模型。

关键词：多学科；设计优化；建筑工程设计；应用

由于不同学科之间所产生的效应相比于独立学科，能够拥有更大的效应，因此建筑工程在进行设计时，肯定会是在多学科设计基础上，向着整合和优化的方向进行发展，在某种程度上可以使建设设计中的全部环节都能够产生最大的效应。

1在建筑工程设计中多学科设计优化的意义

在建筑设计过程中，探索工程系统当中的各个相互作用下的协同机制，从而设计出比较复杂的系统和子系统方法理论，我们将之称作多学科设计优化，又名MDO。在建筑设计领域当中，应用多学科设计，可以将各个学科之间的相互作用进行充分开发和利用，从而可以实现最好的协调效应，优化和整合建筑设计系统，MDO技术完成了多学科并进设计，将设计时间节省了下来，使设计效果得到了增强。在建设项目设计过程中，主要分为三个设计阶段，分别是方案设计、初步设计和施工图纸设计，在设计时会应用到多方面知识。在设计方案时，会涉及到建筑学和经济学等方面的知识；在设计施工图纸时，会涉及到结构力学、施工暖通和流体等方面的知识。因此，在建设过程设计过程中，囊括了多方面知识。现如今，在设计中多学科知识的应用并没有完成综合整合优化，各学科之间会有交流的障碍，致使建设过程设计耗时长、效率低以及投入大。在进行建设过程设计时，想要改变这种现状，必须实现各学科间信息共享。而多学科优化理论使建筑工程设计现状得到了有效改善，在经过发展之后，充分发挥出了设计中的各个资源优势，能够合理配置设计资源结构。这也改变了在建筑工程设计具体问题中应用各学科的联系，MDO重视各个学科之间的联系、作用和综合效应，多学科优化设计可以影响到建筑设计环节当中的每个环节[1]。

2在建筑工程设计中多学科设计优化的优势

在建筑工程项目设计时，传统的建筑工程设计方式分为三个阶段，会先提出来设计建议，再根据提出的设计建议展开详细分析，最后做出相应的决策。①建筑工程项目进行专业设计时，应根据业主方面的相关需求，确定下来相应的设计原则以及方法；②依照建筑工程项目所设计的施工图纸，从图纸中获取相应的信息，之后建立健全的不同学科分析模型；③建筑工程的设计人员和工程师，要明确是否对应相应的设计理念。建筑工程在设计阶段，要严格关注设计方案，不应该只是对整体项目进行分析。在传统的建筑工程设计当中，在执行以及管理信息中会浪费掉大量的时间，留给评价方面的时间却很少。可是想要正确使用多学科设计优化技术，对工程项目设计过程中，就会按照以下几个方法展开相应的流程：在选择参数时，需要按照设计空间要求，接下来便对这些参数进行分析，在建立健全的几何模型时，采取参数化CAD[2]。在建筑工程设计集合模型阶段，使用多个学科来展开综合性分析流程，在得出结果之后，再计算材料、设备成本以及用量方面。在选择新参数配置时，需要进行合理的控制，最后便能通过优化器反馈出空间的最优位置。多学科设计优化技术，工程师不用根据经验也能控制好每一项参数，只要对相应的参数以及规则进行辅助，就可以实现我们想要的效果，从而对结果进行合理解析。

3在建筑工程设计中多学科设计优化的应用

3.1多学科耦合

在正常情况，想要实现整体性最优解，每个学科之间都是相互独立的，不会存在耦合关系。这时，就需要将系统中的目标变成学科目标中的增函数。因此，想要实现学科和学科间的耦合，必须开展协调优化，使用学科之间的耦合关系降低概率，从而促进最优化。这种方式能够通过学科等级进行相应的优化，在协调系统级时，利用松弛因子实现。优化整合的目标便是在结构和能源可行的解空间寻找共同解空间，这是因为耦合参数具备冲突性。在共同解空间不能展现最优解，只能在优化解空间获取。为此，设计人员必须根据实际需求，在总体投资成本和运营成本当中寻找那个平衡点。多学科设计优化会找出直观可靠的可视化替代方案和数据，从而寻找更加合适的设计方案。

3.2建立模型

建筑模型便是建筑信息模型，是通过对象化数字物体描述和表现真实世界里的建筑构件，参数建模是关系数据库和行为模型动态捕捉和表现所需建筑信息。在多学科设计优化中，采用参数化技术建筑模型具有真实世界的属性以及行为，且参数化模型能够智能化识别构件特征和作用规则，因此参数化模型能够保持在真实世界构件的相互关系，在对建筑构件进行管理时，保持最开始时设计意图的智能性，使设计工作的重复性得到极大减少。为了让建筑模型拥有极大灵活性和柔软性，使人类智能参与需求得到满足，多学科产品一般都会建立比较合适的产品设计对象树，并且它的每个设计对象都含有约束、参数、方法和目标集合[3]。

3.3划分模块

在设计阶段，根据多学科特性和相关要求，依照建筑工程项目的作用，将原有的系统划分成不同的子系统。并将独立求解的子系统放到首要位置，在此同时开展相应的优化流程，再对耦合的每个子系统间的对应关系进行分析，最后协调整个耦合变量，只有这样才能满足每个子系统相应的目标，应用这种方式能够将总体最优解。例如在建设长方形教室时，将会给出能源和结构这两个子系统，进行独立分析和优化。

3.3.1能源

在能源设计阶段分为：几何设计、能源分析以及优化，其中几何设计中所涉及到的自变量包括：教室长、教室朝向以及窗墙之比，这一阶段的约束集就是平均每年的光能乘数，其目标功能便是实现整体寿命运营成本的最小化。其中设计空间是长方形房间，并且在两面墙面上有窗户，其窗户是在墙面正中央，窗户比例也会受到墙影响，墙、屋顶以及地面会作为单独平面进行建模[4]。

3.3.2结构

在结构设计阶段包含：几何设计、结构分析以及结构优化，长方形教室进行几何设计时，可以使用参数化CAD软件设计，其结构几何模型当中的自变量便是教师长。如果将教室的几何形状进行更改，就需要我们去改变结构部件的荷载分布，这便是在结构模型中需要面临的挑战之一。为保证几何形体所涉及的全部荷载分布保持其稳定，在模型中每一个结构部件都需要对参数化荷载控制板进行自定义，并且控制板区域要一一对应教室支撑部件荷载分布，而且要根据教室几何形状的改变进行自动更新。

4建筑工程在设计优化时注意事项

①将设计中标方案进行完善，设计方案是用来招标的，中标方案并不一定会最好和最完善，受到某些因素影响，设计单位时间紧迫，并不能在有效的时间内充分掌握建设单位意图，在这样的情况下，设计方案会满足不了建设单位的需求，为此想要使设计方案变得有深度，确保有效衔接后续设计活动，需要对中标设计方案进行优化和完善。②对建设单位技术方面的要求要明确，在建筑产业不断发展下，产生出了更加复杂繁琐的设计方案，在还没有建筑设计雏形时，建设单位并没有明确的技术要求，招标文件中的要求也很模糊，它只是个大致框架，没有具体的内容，因此优化建筑工程设计方案，可以对技术要求和功能要求有个大致了解[5]。

5结束语

总而言之，在建筑工程设计过程中，MDO技术具有绝大的应用优势，它使设计所需的循环时间得到了极大的缩短，使整个产品质量都得到了优化，可以方便我们开发出更多可操作性替代方案。同时，MDO技术还能将建筑工程当中的管理组织结构进行优化，并显现出工程当中的冲突和变更。另外，MDO技术可以实现信息的自动化，将决策的科学性提高。在建筑设计过程中，应用MDO这一技术，可以更加确定工程项目中的拓扑图和各项复杂参数，且技术人员还有面临庞大解空间以及运算时间的挑战。但是在建筑工程设计中，MDO技术的应用优势，会让MDO技术变得更加成熟。

参考文献

[1]杨磊，韦喜忠，赵峰，等.多学科设计优化算法研究综述[J].舰船科学技术，2017，39（2）：1~5，47.

[2]马国栋.基于多学科设计优化方法的工程总承包项目设计管理研究[D].南开大学，2013.

[3]金刚.多学科设计优化在建筑工程设计中的应用分析[J].建材发展导向（上），2015（6）：192~193.

[4]代吉敏，马子乾.多学科设计优化在建筑工程设计中的应用[J].城市建设理论研究（电子版），2015（15）：5721.

[5]邓雪松.浅谈如何优化建筑工程设计[J].城市建设理论研究（电子版），2015（25）：1180~1181.

作者:邱玲 单位:重庆市九龙坡区