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摘要：随着经济的发展，我国建筑工程数量和规模也获得了很大的发展，建筑安全也日益成为人们关注的话题。为了保证建筑安全，建筑工程设计非常关键。为了保证建筑工程设计的科学性，在建筑工程设计中使用多学科优化设计是一个非常好的途径。本文在多学科优化设计在建筑工程设计中应用的优势的基础上，结合具体的长方形教室的设计案例，对多学科设计优化在建筑工程设计中的应用进行了探讨。
关键词：多学科设计优化；建筑工程设计；优势；应用
建筑工程设计是一个非常复杂的内容，其中包含的科目非常多，学科不同，体现出来的建筑设计的效应也不同。所以，建筑工程设计一定要在多学科的基础上实现，才能保证建筑工程设计的整合性和优化性。所以，探讨多学科设计优化在建筑工程设计中的应用对保证建筑工程设计的科学性具有重要的意义。
一、多学科设计优化在建筑工程设计中的应用优势
传统建筑工程设计可以划分为三个步骤，分别是：提出设计建议、针对设计建议进行分析、对最终的设计进行决策。具体来说就是：第一步，设计师以业主的要求为标准提出设计思想，项目团队针对这个设计思想提供设计图纸或者3D的设计模型；第二步，建筑工程的设计团队对信息进行解读，在各学科的基础上建立分析模型；第三步，召开会议，建筑工程设计团队和业主共同确定设计方案。这个阶段注重的是建筑工程设计方案的可行性，而不是建筑工程设计项目的整体优化[1]。
在传统的建筑工程设计中，几乎所有的工作都是人工完成的，工作效率比较低、工作进度也比较缓慢，在管理设计信息和执行设计信息方面耗费的时间比较多。所以，在多学科设计优化的基础上，实现自动化的信息管理，能够在很大程度将出错的几率减到最小，能够在很大程度上减少信息管理消耗的时间，能够设计出更多的优化设计方案，不仅能够保证建筑工程设计的可行性，同时还能够保证建筑工程设计的优化性。
二、多学科设计优化在建筑工程设计中的应用
多学科设计优化在建筑工程设计中的应用可以分为三个步骤来进行，第一，建筑工程设计团队通过参数拓扑模型的建立对设计空间进行定义，然后对相关的可行域和可变参数进行选择，利用参数工具在设计空间中建立几何模型。第二，在不同学科的基础上对几何模型进行分析，给出分析结果。第三，在整体的设计空间中，搜索合适的统计方法对新参数配置机型选择和控制，通过运用优化器寻找最优的空间位置[2]。
（三）参数建筑模型的建立
一般情况下，建筑模型的建立是通过对象化的数字物体对真实的建筑构件进行描述和表现的过程，参数化建筑模型的建立是通过动态的方式，利用一个关系数据库和行为模型将建筑信息表现出来，所以，参数化的建筑模型具有真实性，能够对建筑各个构件的特征以及各构件间的相互关系进行智能化的识别，在对建筑构件进行管理的过程中能够智能化的保留设计者的最初意图[3]。所以，在多学科设计优化的基础上进行建筑工程的设计，为了保证建筑模型的柔性和灵活性，为了满足人类的智能参与需求，对其使用对象树进行描述非常重要。一般情况下，设计对象树中的每一个设计对象都应该包含四部分，分别是：参数集、目标集、约束集和方法集。
例如，将一个长方形的教室最为设计对象，它的参数集指的是：教室的朝向、教室的长、教室窗户和墙的比例、纵梁间距、横梁间距和柱间距。目标集指的是：整体建筑的运营成本最小、钢结构的成本最小。约束集指的是：结构安全、空间和采光效果。长方形教室的设计参数如图1所示。
（五）优化结构
在优化结构阶段可以划分为三个环节，分别是：几何设计环节、结构分析环节和结构优化环节。比如，在对长方形教室进行几何设计的时候，可以使用参数化的软件来进行，这个长方形教室屋顶上面的八根横梁和九根纵梁将荷载全部转移给了十四根支撑柱。在这个建筑结构的几何模型中，教室的长是自变量，如果在设计的过程中要改变教室的几何形状，就需要将教室上面的荷载分布情况加以改变。为了保证几何体荷载分布的稳定性，几何模型中的每个部件都要对自己参数化荷载控制板进行定义，并且保证定义之后的控制板区域能够和教室支撑的荷载相对应，并且保证这些参数能够根据教室几何形状的改变而改变。在对教室的几何结构进行有限元分析的过程中，需要考虑的荷载因素有三种，分别是：第一，静荷载；第二，活荷载，其中包括设备、人员和家具等因素；第三，风荷载。将这三种荷载和建筑规范中规定的五种荷载一同放入进行有限元分析的软件中，最终的输出结果就是几何体对应的内力集合与荷载。如果输出结果符合规范，就进入下一个环节的检验。在结构分析的过程中，成本计算指的是对建筑中整体的钢筋成本的计算，也就是钢筋单价和单个构件重量的积。通过优化结构对建筑工程进行设计的最终目标就是设计出符合设计要求，同时花费比较少的建筑结构设计方案，其中包括纵梁间距的最优取值范围、横梁间距的最优取值范围、柱间距的最优取值范围和教室长度的最优取值范围。
（六）能源的优化设计
能源的优化设计同样包括三个环节，分别是：几何设计、能源分析和能源优化。其中在能源设计的几何设计中涉及的自变量包括以下几种，分别是：教室的长度、教室的朝向和教室的窗户和墙的比例。能源设计阶段的约束集指的是年平均光能乘数，设计的目标是将整体建筑在寿命周期内的运营成本降到最小。比如，在长方形教室的能源设计中，在东墙和西墙上有两面窗户，窗户在墙体的中央，窗户的比例受到墙体的约束。在建模的过程中，墙体、地面和屋顶都会作为单独的平面来进行建模，如果窗户面积比较大，人造光源就会比较小，但是热传导性的热能损失也会相应的增大。根据能源分析报告可以得知，建筑在使用过程中消耗的能源成本包括年能源强度、制热能源强度、制冷能源强度、太阳能采集强度、光能强度、燃气费用以及电能费用等。如果将完全日光供应用0表示，将完全人造光供应用1表示，通过能源优化软件的使用，就能够获取各参数的最优值。
结语
建筑工程设计是一个比较复杂的过程，其中包含了比较多的学科内容。在传统的建筑工程设计中，只能够保证建筑工程设计的可行性，不能保证建筑工程设计的优化性。将多学科设计优化在建筑工程设计应用，通过参数建筑模型的建立、划分模块、优化结构和能源的优化等环节来进行，不仅能够保证建筑工程设计方案的可行性，同时还能够实现建筑工程设计方案的优化，对维护建筑工程设计的科学性具有重要的意义。
参考文献：
[1]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.
[2]张波.多学科设计优化在建筑工程设计中的应用分析[J].建材与装饰，2014，（22）：25-26.
[3]刘馨然.多学科设计优化在建筑工程设计中的应用分析[J].科技风，2012，（13）：180.
论文作者:刀元东
论文发表刊物:《基层建设》2015年25期供稿
论文发表时间:2016/3/22
标签：建筑论文; 工程设计论文; 荷载论文; 教室论文; 多学科论文; 参数论文; 模型论文; 《基层建设》2015年25期供稿论文;