建筑工程设计中多学科设计优化的应用

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　　摘要：建筑工程设计为一项多学科参与完成的环节，考虑到各学科互相作用产生的整体效应大于学科间各自独立的效应。为此，本文提出了未来建筑工程设计的发展走向为在多学科设计的基础上，兼有优化、整合功能，使建筑设计中各个效应得到最大化的体现。
　　关键词：多学科；设计应用；优化；建筑工程；
　　1. 多学科优化设计
　　多学科设计优化 (Multidisciplinary Design Optimization,简称 MDO)是一种通过充分探索和利用工程系统中相互作用的协同机制来设计复杂系统和子系统的方法论。多学科优化设计的中心思想是在复杂系统设计的整个过程中利用分布式计算机网络技术来集成各个学科的知识，应用有效的设计优化策略，组织和管理设计过程。多学科设计应用于建筑设计中，实现了充分开发利用各个学科间相互作用关系达到协同效应，在建筑设计中进行最优化的系统整合。由于实现了多学科的并行设计，节约了设计时间，更增强了设计的效果。
　　建筑设计环节在建筑工程项目的全寿命周期中占有重要位置，不仅影响着工程下阶段的子项目质量，也影响着建筑的经济、节能等效应。多学科优化设计体现于建筑工程设计的各个环节，在方案设计阶段，涉及到建筑学、环境学、经济学等学科；在施工图设计阶段涉及结构力学、流体力学、暖通等学科。
　　目前，建设工程设计中存在耗时、低效、费钱等问题，多学科知识在设计中的应用并未得到综合整合、优化，学科间存在沟通、交流障碍。设计中，各学科信息得不到共享，成为主要的阻力之一。根据建筑工程设计多学科优化理论有效改善了工程设计的现状，并经历了独立静态优化、独立动态优化和均衡优化的理论发展过程，使得设计中各个资源优势得到有效发挥，合理设计资源结构的配置。也就是将改变传统将各学科之间的联系仅限于建筑工程设计的具体问题的应用，多学科优化设计重视了各学科间的紧密联系、互相作用、综合效应。不难发现，多学科设计优化将在建筑工程设计各个环节中引起巨大的影响。
　　2. 多学科优化设计的优势
　　传统工程项目设计中，先由建筑设计师制定符合业主要求的设计方案，再由工程项目团队成员共同设计完成设计图纸。工程设计团队一般由结构工程师、机械工程师、暖通工程师、电气工程师组成。工程设计团队各工程师在相对独立的环境下工作，在遇到具体问题时，才通过合作交流、信息共享来解决。最后，通过业主与工程师间的信息交流，完成设计整个过程。这种建筑项目设计仅能满足设计的建筑物符合各类标准，达到设计上的合理性、实用性，没有过多的考虑设计过程的系统优化。如在建筑结构设计、建筑机械系统设计、照明系统设计上等都处于各自独立，使得建筑结构的整体效能、各子系统的配合协同程度低。而且，设计过程多有人工操作完成，且各工作人员间信息交流不便，导致设计阶段的耗时长、效率差，影响了整个建筑工程的进度。传统的设计过程和方法不符合现代设计理念，需要经过创新和改变来完善。分析过去设计环节过程中大致存在如下问题：阻隔了设计师间的交流、信息共享存在障碍，工程师将重心较大投入与设计的管理和执行，忽视了信息的自动化和对信息进行的评价。如果能合理分配设计环节，注重设计环节的资源配置，提高设计的效率和效益，提高信息的自动化水平和信息评价结果，才能真正达到建筑设计的目的。
　　建筑工程设计中多学科优化设计理念还体现于对于设计多套可行性代替方案上。因为设计理念的最优化来自于对多个可行性方案的不断的替换和提高。以往，设计工程师注重于一个可行性方案，忽略了设计目的在于最优化的设计。为此，有必要对设计元素做多方面探索、假设，使其达到功能上最优化。设计工程师在良好可变环境下，寻找替代可行方案的多种几何与非几何参数，实质是在原有的设计方案上进行修改、替换，达到优化的目的。这类优化设计不太费时，因其不需要对设计参数重新定义。通过多个可替代方案的结合，最终确立一种最为优化的方案，确立最终的决策。并且，在设计过程中，引入参数设计分析自动化替代人工分析操作。避免了参与者在重复进行的人工优化整合方案分析中出错，也减少了人工工作量，提高了效率和科学化的方案设计，将多余时间用来评估设计结果和作出科学决策。
　　建筑工程设计中，MDO技术的具体应用于：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。根据某个参数配置，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. 进行几何模型设计的多学科综合分析，得出分析结果，通过参数计算出材料、设备的用量、成本。3. 用适于设计空间搜索需要的统计方法来控制新参数配置的选择，最后通过优化器反馈空间最优的位置。MOD技术的应用，改变了工程师以经验为主的参数设计，从协助参数指定和对设计空间的规定方面的角色转变。通过自动化的设备分析设计参数，工程师将重心转移到解读、分析、评价设计结果上，为设计管理与执行腾出时间，更能综合优化设计结果。借助高科技，能减轻设计工程师的工作量，并加强了决策的科学性。
　　3. 多学科设计优化技术的应用
　　使用对象化的数字物体用以描述和表现真实世界的建筑构件，称为建筑信息模型。在同一个数据库的管理下，实现参数化建模，动态捕捉和传递建筑信息。参数化的建筑设计模型具有真实世界的行为和属性表现，实现了设计上的智能性、实用性，通过参数化的设计保持了建模在真实世界的反应，其设计的相互性与真实世界差异不大。而且，该操作方便、快捷。当我们需要对设计图纸稍加修改时，系统可以实现自动保留原来资料数据，通过设置各构件的相关参数值，可自动生成构件的空间位置。
　　参数化建模是让设计工程师从整体、直观上审查设计建筑本身，帮助分析设计上的缺陷，并给出合理、标准的信息模型，设计工程师只需在此基础上通过几何形态的修改来完成工作内容，大大减少了设计工作的重复性。在参数化建模中，应用多学科知识，在建筑设计原有的基础上，具备灵活性，满足人类智能化需要。建模设计一般以建立合适的设计对象树来实现。DOT（Design Object Tree）是设计对象树英文缩写，其中DO为设计对象，每个DO包含参数集、约束集、目标集、方法集。
　　在建筑工程多学科优化设计中，根据设计过程牵涉的各学科特性及要求，分为若干个子系统。每个子系统能够独立分析求解、并行优化，建立各个子系统的关系，耦合优化，最终达到整体协调效应即设计的最优解。该优化过程不仅缩短了循环设计的时间，并将多种可替代方案进行整合，实现了设计的质量目的和效应目的，提高了工程管理的组织化水平，基于信息化基础设计，可操作性强等。
　　
　　参考文献：
　　[1]赵敏.操安喜.崔维成.多学科设计优化方法的比较[J].中国造船.2008
　　[2]钟毅芳.陈柏鸿.王周宏.多学科综合优化设计原理与方法[M].华中科技大学出版社.2006
　　[3]王广斌.向乃姗.多学科设计优化在建筑工程设计中的应用[J].东南大学学报.2010.11
　　

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