建筑工程設計中多學科設計優化探析

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1多學科設計優化概述

多學科設計優化，又名MDO，由多個子系統構成，是一種充分探索子系統相互作用的復雜系統設計方法論。在多學科設計優化應用中涉及多個學科，且分為層次系統與非層次系統，其中非層次系統又稱為耦合系統，耦合系統可以充分體現對多學科設計優化系統分析的復雜性，這種非層次的系統需要將復雜的多學科設計優化問題分解為若干個簡單學科或子學科，對子學科的各個模型進行多次迭代才能完成整體的系統分析，使拆分后進行迭代試驗得出的優化結果更加科學、準確，有利于多學科設計的整體優化，增加多學科設計優化的應用性與實施性。

2建筑工程設計中應用多學科設計優化的重要性

在建筑工程設計領域中，需要應用建筑學、經濟學、結構力學、施工暖通等方面的專業知識，而在應用這些專業知識的過程中，對知識的專業性與建筑工程設計的整體優化方面有嚴格的要求，而各個學科之間的知識交流有一定的障礙，導致建筑設計的時間增長、各學科的專業性無法整合等問題。而利用多學科設計優化的設計，可以對工程系統中各個相互作用的協同機制進行探索與檢測，在檢測過程中，可以充分了解、利用各個學科之間的相互作用，將整個工程系統協調至最好的結果，在優化建筑工程設計的同時，還會優化方案設計效果，極大地解決了工程設計耗時長、整合效果不好等問題。

3多學科設計優化在建筑工程設計中的具體應用

3.1構建設計模型

在建筑工程設計中，可利用多學科設計優化構建建筑信息模型，通過對各個學科的對象化數字物體描述與實際建筑構件的表現展示建筑設計的數字化參數模型。在利用多學科設計優化進行數字化建筑模型的構建過程中，保證初始設計意圖與建筑設計的智能性，由此確保建筑模型的科學性與真實性以及后續修改過程中的靈活性。例如，在房屋建筑中，構建的數字化建筑模型中應包含參數集合、約束集合、目標集合、方法集合4種數據集合的要求。參數集合是指房屋的長、寬、高、橫梁間距、縱梁間距、窗戶與門在墻中的位置參數等基本的房屋建筑參數信息，這些信息的輸入可以使房屋建筑模型更形象化，更精確。約束集合則是指對房屋的力學結構、施工暖通、采光效果等方面的專業信息進行填充，這些信息的輸入旨在保障房屋的結構安全、鋼筋結構部件的規范化、房屋力學要求的科學化、采光效果要求最佳化等房屋使用性能。目標集合則是對房屋建筑中的鋼結構成本等各方面的建筑運營成本進行控制，以滿足建筑施工企業的成本要求與利益要求。方法合集是針對不同的幾何設計要求以及不同的結構要求建立不同的智能優化方法，以實現建筑商與業主對房屋建筑的具體要求。

3.2多學科耦合

在建筑工程設計中，多學科耦合是必不可少的，系統的整體目標并不能成為各個學科目標的增函數。在此狀態下，需要應用多學科設計優化系統對各學科目標進行優化、協調。以上文中的房屋建筑為例，對房屋的建筑設計進行優化計算。將房屋朝向增加10°，將房屋長度變更為11m，并增加縱梁與橫梁的種類至55種與54種，柱結構的種類設置為8種，最后，依據多學科設計優化進行多學科的耦合，將不同的建筑數據要求進行不同的搭配，得到最佳建筑設計數字化模型。在多學科設計優化過程中，將不同的子學科與建筑模型進行分離，對子學科進行調整與設定，在結構與能源的可解空間中得到共同的可解空間，并依據可解空間對建筑進行整體優化，進而滿足客戶與建筑施工方的多方面要求。

3.3模塊劃分

在多學科設計優化中，需要將原有的建筑工程系統進行模塊的拆分，將整體建筑工程拆分為不同方向的子系統，對子系統進行單獨的、合理的、科學的優化與調整。在調整過程中，需要對拆分后的子系統進行層次系統與非層次系統方面的區分，依據區分后的結果對屬于非層次系統的子學科進行對應關系的探索，將不同學科、不同方面的子系統聯系在一起，使子系統之間進行相互作用，促進子系統的優化，進而提升建筑模型的整體水平。例如，在上述建筑模型構建中，將房屋的門、窗、橫梁、縱梁、柱結構等子學科從建筑模型中拆分出來，利用CAD軟件進行系統的規劃設計，調整其中7根橫梁與8根縱梁的荷載，將荷載適當地轉移給兩面承重墻與12根柱結構，同時在對子系統進行更改的同時保持房屋的實際結構形狀，進而促進各個子系統的優化，提升建筑模型的整體水平。

3.4應用案例

在建筑工程設計中，可針對商場、居民樓等預建設的建筑設施進行多學科設計優化。本文以住宅建筑為例，在建筑設計中，首先要確定住宅樓的建筑設計原則與建筑設計方法；其次，根據住宅樓在建筑設計中的施工圖，建立框架結構、柱結構等建筑模型，由此形成完整的、參數信息化的住宅樓建筑設計模型。然后，將建筑模型交由設計師與工程師進行查驗，對住宅樓的建筑理念進行進一步的規劃。最后，依據多學科設計優化進行住宅樓模型參數的調整，在多學科設計優化系統中，輸入參數集合、約束集合、目標集合、方法集合4種數據集合對住宅樓的詳細參數信息進行進一步的規劃，對工程項目中的拓補圖以及各種復雜參數進行確定，保障這些參數數據能夠利用多學科設計優化系統將住宅樓的采光效果、力學結構、暖通設施等基礎設施的設計進行最優化，進而促進住宅樓整體的使用環境、使用效果的優化。

4結語

本文通過對多學科設計優化系統進行概述，分別從構建設計模型、多學科耦合、模塊劃分、應用案例等方面對建筑工程設計中多學科設計優化的應用狀況進行詳細研討。結果表明，在多學科設計優化應用領域中，依然存在應用不到位的現象。因此，在未來的研究中，還應進一步對多學科設計優化在建筑設計中的應用方面進行探索，希望本文的研究可以為多學科設計優化在建筑行業的應用中提供可行性建議，并促進建筑事業的蓬勃發展。