耦合系统优化在建筑设计中的应用

沈仕娜周晨阳王嘉威

南京工业大学南京210000

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，建立健全的参数化信息模型。本文以多学科设计优化在建筑工程设计中的应用为基本点进行详细的分析。

关键词：建筑设计；多学科设计优化；设计原则

一、建筑设计方案优化的必要性

建筑设计方案优化是在不断的建筑设计招投标汇报工作过程中，施工单位和设计单位必须进行一项重要工作。

每次的工程招投标或中标都不意味着方案的完善。设计单位的有效设计期限，自招标文件公布之日起至提交方案之日止，一般不得超过四十天。根据施工单位和设计单元的投标规则，不允许有除了“答疑”之外的其他形式的沟通，因此，在时间有限和沟通有限的前提下，要求设计单位充分理解并实施施工单位的意图，完全地满足对方案的建设要求是不切实际的。此外，为加快项目进度而采用的“概念设计方案”，就功能布局和技术标准而言，中标设计方案的深度难以直接与后续相关设计活动相关联，需要优化、深化和细化设计方案阶段。

建设施工单位的技术需要明确和落实。当前的建设项目，特别是大型、复杂的建设项目、面对功能、交通、环境等越来越复杂的内外环境，施工单位很难给出清晰、详细的设计要求。因此，在确定获奖方案后，有必要根据建筑布局的获奖方案，设计、优化和协调各种技术、功能、设计要求等，并最终实现和确定。中标方案仅为一个单位的设计成果，其设计思想的局限性是不可避免的。在设计招标过程中，有三到十几个单位参与设计。各招投标方案的设计方法和设计要点，对建设单位和中标设计单位的发展具有一定的参考价值。我们会在设计方案的优化阶段进行头脑风暴，充分吸收其他投标方案的优势，优化和完善中标方案。

鉴于这些情况，对于工程建设项目，特别是大型复杂的建设项目，项目的优化已成为工程建设过程中不可缺少的过程和环节。施工单位应在设计投标结束时放弃建筑设计方案优化的可分配思想错误区域，并在设计投标结束时，不要草率跟进设计，充分利用各种优势优化和深化获奖方案，使各项功能和技术措施更加合理，建筑风格定位更加准确，经济成本、运行费用更为经济，后续工程设计合理，为工程建设提供科学、系统的工作依据。

二、建筑方案传统设计思路

传统的建筑项目设计阶段可分为建议、分析和决策三个步骤。首先，根据业主的要求，建筑师提出相应的设计思路，向项目组提供二维图纸或三维模型的设计方案，然后向信息工程师团队进行解读，建立跨学科分析模型对项目系统进行模拟，与设计团队会面，与业主和工程师团队确认系统符合建筑设计理念、设计阶段，注重准备的可行性，而不是对整个项目进行优化。

三、项目设计阶段中多学科优化耦合设计思路

传统的设计阶段所有的工作都是通过人工进行的，工作效率低，进度缓慢，建筑工程师耗费大量时间用在管理和执行设计信息上，若能减少管理和执行信息的时间上的耗费，信息自动化效率将会提高，节省的时间可以用来研究更多可替代方案，以满足项目的进度要求。

传统建筑设计人员在做出最终设计决定之前，通常只有少数的可替代方案可供选择，设计理论认为这将会导致不佳的设计。航空及汽车领域已经采用MDO技术克服类似的局限问题，且可降低设计生产周期，提高产品的整体性能。这一技术基本上是一种串行设计模式，不同设计阶段，设计者选择不同的学科对产品进行设计和优化，假如不考虑不同学科的耦合产生的协同效应，可能得不到系统整体最优的设计方案。在设计优化问题中，有两个耦合的学科，按照并行子空间优化的思想，原来的设计优化问题按照这两个学科分解为两个子优化问题，两个子优化问题并行求解，然后再进行系统级协调，这个过程不断迭代直至收敛[1]。

若是MDO技术应用于建筑项目，建筑工程项目的设计阶段可分为如下几个步骤：

（1）设计团队通过建立参数拓扑模型来定义设计空间，选择可变参数以及相关可行域，根据特定的参数配置，利用参数化CAD工具，在设计空间中的每个点建立不同的几何模型。

（2）不同学科对几何模型中的设计进行分析，并给出分析结果，这些参数可用来计算材料设备所需量、进度和成本。

（3）设计搜索利用基于整体设计空间搜索需求的统计方法来控制新参数配置的选择，最后，运用结果反馈寻找到空间最优位置。

组合优化的目的是在结构可行解空间和能源可行解空间中找出共同解空间，由于耦合参数的冲突性，在共同解空间中无法求出最优解，只能得到优化解空间，设计人员必须根据客户需求在投资成本和全寿命周期营运成本两者之间权衡取舍，而MDO技术恰好为设计师提供了更为直观、有效的数据支持和可视化的替代方案，方便他们运用软件可以更好地在各变量间平衡，从而选择更为明智的设计方案[2]。

在建设项目设计阶段，MDO在建筑设计中应用的优势可归纳于以下几个方面：缩短设计循环时间；开发更多可替代方案，而不是仅仅确定某一方案的可行性；实现整体产品的质量和绩效优化；将建筑工程管理组织结构化；将工程变更和冲突可视化；信息自动化，提高可操作性。

四、设计优化的风险与原则

优化不成反遭劣化的原因可能来自多方面，但非专业因素过多地干预甚至主导优化过程是其中一项主要原因：一方面是建设单位的参与热情或领导的主观意愿不知不觉中影响或压制了建筑师的创作空间；另一方面，中标单位也常常存在任务完成式的被动工作心态，结果是系统思考不足引发更多的问题造成方案的劣化。项目的管理者是项目执行者，因此，在设计过程中对设计方进行相关的项目管理是非常有必要的。

健全建筑设计监督管理的法律、法规体系是很必要的。其中，首先要完善现有法规，使法规注重建筑设计信息的行政责任与民事责任处理，明确对设计内容信息失真的具体认定及其法律责任分担的法律规定，其次，善于借鉴市场经济发达国家成熟经验和国际法务设计监督经验，制定监督设计准则及相关制度，从而，对设计方有一定的法律约束。

五、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，且技术人员还有而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。

做好建筑设计项目是一个复杂的系统工程，除了设计主体的项目管理人员树立职业意识和敬业精神外，还要认真总结设计过程中管理工作的经验与不足，探讨更加科学有效的措施和方法,更加有效地推进建筑设计的管理工作，以确保利益相关者的满意[3]。做好设计方案的比选优化工作，是对建筑设计进行全方位的有效控制。但是比选优化方案并不是一味地考虑节省投资，应尊重科学，尊重实际，兼顾功能提高，使投资发挥最大的效益，给委托方创造最大投资收益[4]。

参考文献：

[1]薛小龙.某型制导火箭弹多学科优化设计研究.电子科技大学.2009(5):5-10.

[2]王广斌,向乃姗.多学科设计优化在建筑工程设计中的应用.东南大学学报(自然科学版).2010(11):237.

[3]张德新.建筑现场施工质量控制实施评价[J].科学与信息技术,2005(1):6-8.

[4]刘红莉.浅谈房地产开发过程中的造价控制.山西建筑.2007(7):290.

作者信息：

沈仕娜（1994—），女，江苏无锡人，南京工业大学2017级建筑学专业硕士研究生。研究方向：建筑设计。