建筑工程设计中多学科设计优化探析

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1多学科设计优化概述

多学科设计优化，又名MDO，由多个子系统构成，是一种充分探索子系统相互作用的复杂系统设计方法论。在多学科设计优化应用中涉及多个学科，且分为层次系统与非层次系统，其中非层次系统又称为耦合系统，耦合系统可以充分体现对多学科设计优化系统分析的复杂性，这种非层次的系统需要将复杂的多学科设计优化问题分解为若干个简单学科或子学科，对子学科的各个模型进行多次迭代才能完成整体的系统分析，使拆分后进行迭代试验得出的优化结果更加科学、准确，有利于多学科设计的整体优化，增加多学科设计优化的应用性与实施性。

2建筑工程设计中应用多学科设计优化的重要性

在建筑工程设计领域中，需要应用建筑学、经济学、结构力学、施工暖通等方面的专业知识，而在应用这些专业知识的过程中，对知识的专业性与建筑工程设计的整体优化方面有严格的要求，而各个学科之间的知识交流有一定的障碍，导致建筑设计的时间增长、各学科的专业性无法整合等问题。而利用多学科设计优化的设计，可以对工程系统中各个相互作用的协同机制进行探索与检测，在检测过程中，可以充分了解、利用各个学科之间的相互作用，将整个工程系统协调至最好的结果，在优化建筑工程设计的同时，还会优化方案设计效果，极大地解决了工程设计耗时长、整合效果不好等问题。

3多学科设计优化在建筑工程设计中的具体应用

3.1构建设计模型

在建筑工程设计中，可利用多学科设计优化构建建筑信息模型，通过对各个学科的对象化数字物体描述与实际建筑构件的表现展示建筑设计的数字化参数模型。在利用多学科设计优化进行数字化建筑模型的构建过程中，保证初始设计意图与建筑设计的智能性，由此确保建筑模型的科学性与真实性以及后续修改过程中的灵活性。例如，在房屋建筑中，构建的数字化建筑模型中应包含参数集合、约束集合、目标集合、方法集合4种数据集合的要求。参数集合是指房屋的长、宽、高、横梁间距、纵梁间距、窗户与门在墙中的位置参数等基本的房屋建筑参数信息，这些信息的输入可以使房屋建筑模型更形象化，更精确。约束集合则是指对房屋的力学结构、施工暖通、采光效果等方面的专业信息进行填充，这些信息的输入旨在保障房屋的结构安全、钢筋结构部件的规范化、房屋力学要求的科学化、采光效果要求最佳化等房屋使用性能。目标集合则是对房屋建筑中的钢结构成本等各方面的建筑运营成本进行控制，以满足建筑施工企业的成本要求与利益要求。方法合集是针对不同的几何设计要求以及不同的结构要求建立不同的智能优化方法，以实现建筑商与业主对房屋建筑的具体要求。

3.2多学科耦合

在建筑工程设计中，多学科耦合是必不可少的，系统的整体目标并不能成为各个学科目标的增函数。在此状态下，需要应用多学科设计优化系统对各学科目标进行优化、协调。以上文中的房屋建筑为例，对房屋的建筑设计进行优化计算。将房屋朝向增加10°，将房屋长度变更为11m，并增加纵梁与横梁的种类至55种与54种，柱结构的种类设置为8种，最后，依据多学科设计优化进行多学科的耦合，将不同的建筑数据要求进行不同的搭配，得到最佳建筑设计数字化模型。在多学科设计优化过程中，将不同的子学科与建筑模型进行分离，对子学科进行调整与设定，在结构与能源的可解空间中得到共同的可解空间，并依据可解空间对建筑进行整体优化，进而满足客户与建筑施工方的多方面要求。

3.3模块划分

在多学科设计优化中，需要将原有的建筑工程系统进行模块的拆分，将整体建筑工程拆分为不同方向的子系统，对子系统进行单独的、合理的、科学的优化与调整。在调整过程中，需要对拆分后的子系统进行层次系统与非层次系统方面的区分，依据区分后的结果对属于非层次系统的子学科进行对应关系的探索，将不同学科、不同方面的子系统联系在一起，使子系统之间进行相互作用，促进子系统的优化，进而提升建筑模型的整体水平。例如，在上述建筑模型构建中，将房屋的门、窗、横梁、纵梁、柱结构等子学科从建筑模型中拆分出来，利用CAD软件进行系统的规划设计，调整其中7根横梁与8根纵梁的荷载，将荷载适当地转移给两面承重墙与12根柱结构，同时在对子系统进行更改的同时保持房屋的实际结构形状，进而促进各个子系统的优化，提升建筑模型的整体水平。

3.4应用案例

在建筑工程设计中，可针对商场、居民楼等预建设的建筑设施进行多学科设计优化。本文以住宅建筑为例，在建筑设计中，首先要确定住宅楼的建筑设计原则与建筑设计方法；其次，根据住宅楼在建筑设计中的施工图，建立框架结构、柱结构等建筑模型，由此形成完整的、参数信息化的住宅楼建筑设计模型。然后，将建筑模型交由设计师与工程师进行查验，对住宅楼的建筑理念进行进一步的规划。最后，依据多学科设计优化进行住宅楼模型参数的调整，在多学科设计优化系统中，输入参数集合、约束集合、目标集合、方法集合4种数据集合对住宅楼的详细参数信息进行进一步的规划，对工程项目中的拓补图以及各种复杂参数进行确定，保障这些参数数据能够利用多学科设计优化系统将住宅楼的采光效果、力学结构、暖通设施等基础设施的设计进行最优化，进而促进住宅楼整体的使用环境、使用效果的优化。

4结语

本文通过对多学科设计优化系统进行概述，分别从构建设计模型、多学科耦合、模块划分、应用案例等方面对建筑工程设计中多学科设计优化的应用状况进行详细研讨。结果表明，在多学科设计优化应用领域中，依然存在应用不到位的现象。因此，在未来的研究中，还应进一步对多学科设计优化在建筑设计中的应用方面进行探索，希望本文的研究可以为多学科设计优化在建筑行业的应用中提供可行性建议，并促进建筑事业的蓬勃发展。