建筑研究生教案.docx
《建筑研究生教案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《建筑研究生教案.docx（19页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
建筑研究生教案
1、前言
1996年8月5日光明日报发表了“二十一世纪初各学科将重排座次”的专题文章，专家们指出：
二十一世纪科学发展的趋势，将是各门科学不断交叉，加速综合；社会科学与自然科学进一步结合并定量化；科学理论将高度数学化，这在很大程度上决定了受教育者未来向高水平和高层次发展的可能性。
“设计”作为人类生活行为的共性特征，设计就是设想、运筹、计划与预算，它是人类为实现某种特定目的而进行的创造性活动。
由于设计与特定社会的物质生产与科学技术的联系，这使得设计本身具有自然科学的客观性特征；然而设计与特定社会的政治、文化、艺术之间所存在的显而易见的关系，又使得设计学在另一方面有着特殊的意识形态色彩。
工程设计是人们运用科技知识和方法，有目标地创造工程产品构思和计划的过程，几乎涉及到人类活动的全部领域。
工程设计的全过程就是不断建立各种模型，并不断进行综合和分析的过程，即反复地创造模型和评价模型的过程。
工程设计的内容大致可分为两类：
一类是数值计算型的工作，包括大量的计算、分析、绘图、编写说明书和填写各种表格；另一类是符号推理性的工作，主要是方案设计工作。
在设计方法学中，前者称之为细节设计，后者称之为概念设计。
概念设计主要包括功能设计和结构设计两大部分。
其作用主要体现在产品设计的早期阶段，把主设计师根据产品功能的需求而萌发出来的原始构思和冲动形成产品的主体框架，及它应包括的各主要模块和组件，以完成整体布局和外型初步设计。
然后进行评估和优化，确定整体设计方案。
再由各责任设计师把总设计师的设计思想落实到具体设计中去，实现细节设计。
现代设计的特点：
把设计对象看作一个系统，同时考虑系统与外界的联系，用系统工程的概念进行分析和综合，力求系统整体最优。
所谓系统，可以定义为：
处于一定相互联系中的、与环境发生关系的各组成部分的总体，是由若干个相互区别、相互联系、相互作用的要素所组成，它处于一定的环境之中，是为实现整体目的而存在的有机结合体。
系统具有如下八大特征：
（1）集合性；
（2）相关性；（3）目的性；（4）整体性；（5）环境适应性；（6）层次性；（7）综合性；（8）动态平衡性。
从系统论的观点出发，可以认为城市和建筑、公路、桥梁、隧道等均是世界上存在的无数系统之中的特殊“社会—经济—自然”复合生态系统。
优化设计（OptimalDesign）是20世纪60年代发展起来的一门新的学科，它是最优化技术和计算机技术在设计领域应用的结果。
所谓“优化设计”是指：
研究问题和寻求解决问题的最优方案，“最优”两字应理解为在给定条件下得到尽可能满意的结果。
千百年来，在现实生活中，人们总是试图把现实状况转变为所希望、所追求的状态，正如1978年诺贝尔奖金得主H·西蒙在“关于人工事物的科学”一书中提到了上述的“满意”是不同专业人们思考、选择、表达面临的不同方案的基点，此为不同领域工作者的共性问题，也即是“广义设计”的概念。
因此，追求“优化”是创造一切人工事物的共同目标。
实际上，在任何一项设计工作中都包含着寻优过程，但这种寻优在很大程度上带有经验性，多根据人们的直觉、经验及不断试验而实现的，由于受到经验、时间、环境等条件的限制，往往难以得到最佳的结果。
目前的设计，多采用类比法，参考已有的设计或经验数据，进行分析对比，从而确定所需的设计参数。
也有选择有限的几种方案进行计算，最后根据设计要求确定一组较好的设计参数。
一般来说，这样确定的设计方案，不是最佳的设计方案。
但是，如果采用最优化方法进行设计，则可以获得最佳的设计方案。
系统工程是把已有学科分枝中的技术有效地组织起来，用以解决综合工程问题的方法，它不仅涉及科学技术，而且涉及经济、社会、环境等因素，从问题的整体性、综合性着眼，使系统效益达到优化。
优化设计主要包括两部分内容，一是优化设计的建模技术；另一是优化设计问题的求解技术。
如何将一个实际的设计问题抽象成一个优化设计问题，并建立起符合实际要求的优化设计数学模型，这是优化技术的关键。
建立实际问题的优化数学模型，不仅需要掌握优化设计方法的基本理论，更重要的是要具有该设计领域的设计经验。
从大类来分，优化设计可分为参数优化与方案优化两大类
2、参数优化
如上所述，优化设计就是一种对问题寻优的过程，人们所从事的任何工作都希望尽可能做好，以期得到一个理想的目标。
在日常的设计过程中，常常需要根据产品设计的要求，合理地确定各种参数，以达到最佳的设计目标。
参数优化，可以表达为一组优选的设计参数，在满足一系列限制条件下，使设计指标达到最优。
因而，参数优化设计的数学模型可由设计变量、目标函数和设计约束条件三部分组成，被称为优化设计三要素。
（1）设计变量在工程设计中，为区别不同的设计方案，通常是以被称为设计变量的不同参数来表示。
设计变量可以是表示构件形状、大小、位置等几何量，也可以是表示质量、速度、加速度、力、力矩等物理量。
任何一个优化设计方案都要用一些相关的物理和几何量来表示。
由于设计问题的类别或要求不同，这些量可能不同，但不论哪种优化设计，都可将这些量分成给定的和未给定的两种。
未给定的那些量就需要在设计中优选，通过对它们的优选，最终使目标函数达到最优值，我们把这些未定变量称为设计变量。
如以热质交换设备的传热系数为目标函数的优化设计，流体的流速、温度等就是设计变量。
（2）目标函数每一个设计问题，都有一个或多个设计中所追求的目标，它们可以用设计变量的函数来表示，被称为目标函数。
目标函数是评价工程设计优化性能的准则性函数，有称为评价函数。
这样，对于有n个设计变量xl，x2，……xn的最优化问题，目标函数F（x）可写作
F（x）=F（x1，x2，…，xn）
（3）设计约束与可行域优化设计不仅要使所选择方案的设计指标达到最佳值，同时还必须满足一些附加的设计条件，这些附加设计条件都构成对设计变量取值的限制，在优化设计中被称为设计约束。
设计约束的表现形式有两种，一种是不等式约束；另一种是等式约束。
在优化设计过程中，常常对设计变量的选取加以某些限制或一些附加设计条件，这些设计条件称为约束条件。
如求解热质交换设备传热性能最好的问题，常常有阻力损失不能超过某个数值的约束条件。
约束条件可分为等式约束条件和不等式约束条件。
在某些特殊情况下，还会有无约束的最优化问题。
约束条件也叫约束函数，是设计变量本身或者设计变量之间应遵循的限制条件的数学表达式。
在优化过程中，设计变量不断改变其数值，以望达到目标函数的最小值。
但设计变量的改变要受到限制和约束，设计变量在设计中的取值范围、上下边界也都必须有一定的限制，它们都是设计变量的函数。
（4）数学模型的规格化为便于表达和计算方便，一般将由目标函数、设计变量和设计约束优化问题三要素组成的数学模型写成规格化形式。
最优化问题的求解可以是求取目标函数的最小值或最大值。
一般情况下，习惯上都是求取目标函数的最小值，所以，对于求取F（X）的最大值问题应转化成求取相反数-F（X）的最小值问题。
这样，最优化问题的一般形式可表达为
minF（X）
约束条件
hj（X）=0（j=1，2，…，l）,si（X）≤0（i=1，2，…，m）
式中，x=[xl，x2，…，xn]T，表示为一个由n个设计变量所组成的矩阵（角码T为矩阵的转置）。
Hj（X）及gi（X）分别表示l个等式约束及m个不等式约束条件。
在上式所表达的最优化问题中，根据F（X）、h（X）和s（X）与变量X之间的函数关系不同及变量X的变化不同，可分为不同类型的最优化问题．因而其数学求解的方法也不同。
当目标函数与约束函数均为线性函数时，称为线性规划。
若在目标函数和约束函数方程中，至少有一个与设计变量存在非线性关系时，即为非线性规划。
若设计变量的取值为部分或全部为整型量时，称为整数规划；若为随机值时，称为随机规划。
对上述不同类型的规划问题，都有一些专门算法进行求解。
所谓的动态规划是指当设计变量的取值随时间或位置变化时，则将问题分为若干个阶段，利用递推关系或一个接一个地做出最优决策，即用多级判断方法使整个设计取得最优结果。
3．参数优化设计的步骤
（1）设计对象的分析在优化设计作业前，要全面细致地分析优化对象，明确优化设计要求，合理确定优化的范围和目标，以保证所提出的问题能够通过优化设计来实现。
对众多的设计要求要分清主次，抓住主要矛盾，可忽略一些对设计目标影响不大的因素，以免模型过于复杂、求解困难，不能达到优化目的。
应注意优化设计与传统设计在求解思路、计算工具和计算方法上的差别，根据优化设计的特点和规律，认真地分析设计对象和要求，使之适应优化设计的特点。
（2）设计变量和设计约束条件的确定设计变量是优化设计时可供选择的变量，直接影响设计结果和设计指标。
选择设计变量应考虑以下问题，设计变量必须是对优化设计指标有直接影响的参数，能充分反映优化问题的要求；合理选择设计变量的数目，设计变量过多，将使问题的求解难度加大，设计变量过少，设计的自由度太低，难以体现优化的效果；各设计变量应相互独立，相互见不能存在隐含或包容的函数关系。
设计约束条件是规定设计变量的取值范围。
在通常的机械设计中，往往要求设计变量必须满足一定的设计准则，满足所需的力学性能要求，规定几何尺寸范围。
在优化设计中所确定的约束条件必须合理，约束条件过多，将使可行域变得很小，增加了求解的难度，有时甚至难以达到优化目的。
（3）目标函数的建立建立目标函数是优化设计的核心，目标函数的建立首先应选择优化的指标。
在机械产品设计中，常见的优化指标有最低成本、最小重量、最小尺寸、最小误差、最大生产率、最大经济效益、最优的功率需求等。
目标函数应针对影响设计要求最显著的指标来建立。
若优化的目标可能不止一个，这就涉及到多目标优化的问题。
多目标优化要比单目标优化复杂底多，可以采用多目标优化方法进行计算处理，也可以将一些不重要的目标转化为约束条件，使之成为单目标优化来处理，会大大提高求解效率。
当优化设计数学模型建立之后，还应注意数学模型的规格化问题，包括数学表达式的规格化和参数变量的规格化。
（4）合适的优化算法的选择当数学模型建立后，应选择合适的优化方法进行计算求解。
目前，优化设计技术已经较为成熟，有很多现成的优化算法。
根据设计要求建立数学模型，选用有效的最优化计算方法，设计编写优化软件，在计算机上完成设计计算，最后获得最佳的设计方案。
（5）优化结果分析优化计算结束后，还需要对求解的结果进行综合分析，以确认是否符合原先设想的设计要求，并从实际出发在优化结果中选择满意的方案。
有时优化设计所求得的结果未必就是可行的，这时需要对优化设计的变量和目标函数进行修正和调整，直到求得满意的结果。
参数优化设计的步骤亦可用下图来表示：
式中，f（X）为设计变量的目标函数，X为设计变量，设计变量为自变量，优化结果的取得就是通过改变设计变量的数值来实现的。
目标函数是要尽量减小的数值，它必须是设计变量的函数.。
数学模型中有m个不等式约束条件，有l个等式约束条件，约束条件也必须是设计变量的函数.。
3、方案优化
方案优化一般应用系统设计法和概念设计进行。
系统设计法简介
（参考资料）
一、系统的实用性定义
所谓系统，可以定义为：
处于一定相互联系中的、与环境发生关系的各组成部分的总体。
是由若干个相互区别、相互联系、相互作用的要素所组成，它处于一定的环境之中，是为实现整体目的而存在的有机结合体。
系统具有如下八大特征：
（1）集合性；
（2）相关性；（3）目的性；（4）整体性；（5）环境适应性；（6）层次性；（7）综合性；（8）动态平衡性。
从系统论的观点出发，可以认为城市、住区和建筑是世界上存在的无数系统之中的特殊“社会—经济—自然复合生态系统”。
二、系统设计法的基本方法和步骤
系统分析、设计方法（简称“系统设计法”）是根据系统的概念、构成和性质，把所研究的对象当作系统进行充分了解和分析，对分析的结果加以综合后所产生的就是系统设计，然后在对这个系统进行评价，这样反复进行，直到能有效地实现预定的目的为止。
所谓分析，就是研究为使对象的目的和其它要求能够最好地实现，对系统的构成和行动的最优方式进行探讨，动用各种分析方法对对象的要求和功能进行分析，从而明确系统的特性，取得为构成系统所需要的信息。
在分析中，将每次分析结果同制定的评价标准作比较，也考虑环境等约束条件，达不到满意程度就重复分析过程。
如果分析结果经过评价后认为合适，就转入综合。
所谓综合，是根据分析结果明确的特定解和评价结果，决定事物的构成和行动方式，作出系统的设计。
这时，应尽可能作出若干个系统设计的供选方案，而后对各方案按评价标准从不同观点和角度反复进行综合评价，从而选出最优的设计。
这种反复过程是一种反馈过程。
系统设计法一般程序分成三步：
1.系统分析；2.系统设计；3.系统综合评价。
它的整个过程是把系统要求说明书作为输入，把系统设计作为输出。
三、系统分析
1、系统分析的概念与意义：
系统分析是一个有目的、有步骤的探索与分析过程。
在这个过程中，系统分析人员从系统的长远和总体最优出发，在选定系统目标与准则的基础上，分析构成系统的各层次子系统的功能及其相互关系，以及系统同环境的相互影响；然后在调查研究、收集资料和系统思维推理的基础上，产生对系统的输入、输出及转换过程的种种设想，探索若干可能互相替代的系统组建方案；再通过建立模型或用模拟方法，进行计算或分析对比各个不同方案，并研究探讨它们可能产生的效果；最后，综合技术经济、组织管理、方针政策、信息交换等各方面因素，以寻求对系统整体效益最优和有限资源配备最优的方案，为决策者提供选取方案的科学依据和信息。
因此，对系统分析的概念可以描述为：
从系统的观点出发，对事物进行分析或综合，找出各种可行方案，以供决策者进行理想的选择。
可见，系统分析的目的是为了设计最合理的最优系统，按照系统要求说明书运用各种分析方法来分析对象，通过研究探讨满足要求的各种条件，为设计系统而搜集必要的尽可能足够的信息。
它的最终目的是提供决策者以决策的资料和信息，以作出正确决策。
2、系统分析的特点：
（1）整体性；
（2）以寻求解决特定问题的最优策略为重点；（3）运用定量的和其它的科学方法；（4）凭借价值判断。
3、系统分析的要素：
（1）明确期望达到的目标，这是系统目的的具体化。
经分析后确定的目标，应是必要的、有根据的、可行的。
这是建立系统的根据，也是系统分析的出发点。
（2）替代方案。
这是达到系统目标的若干种方案，以供比较和选择。
（3）指标。
这是对替代方案进行分析的出发点，是衡量系统总体目标的具体标志。
分析的指标包括有关性能、费用与效益、时间等方面的内容：
性能是技术论证的主要方面，费用与效益是经济论证的标志；时间是一种价值因素，进度或周期是其具体表现。
为达到一定的系统目标，几种可能采取的方案将耗用不同数量的资源（人、财、物），并将产生不同的效益，而需要的时间也是不同的。
不同指标的分析对比，是决定方案取舍的标志。
选择指标的原则应注意因子的综合性、代表性、层次性、合理性、现实性。
（4）模型。
这是根据系统的目标要求，用若干参数或因素体现出对系统本质方面的描述。
它以分析的客观性、推理的一贯性和可能有限的定量化为基础，使用模型进行分析，是系统分析的基本方法。
通过模型可以预测出各替代方案性能、费用与效益、时间等指标的情况，以利于方案的分析与比较。
模型的优化与评价，是方案论证的判断依据。
（5）准则。
这是评价方案优劣的标准。
根据这个标准对方案指标进行综合评价，最后可按不同准则排出各方案的优先顺序。
评价标准可能包括：
费用效益比、性能周期比、费用周期比等。
4、系统方案选优决策原则：
有了不同标准下的方案优先顺序之后，决策者还要根据分析结果的不同侧面、个人的经验判断、以及各种决策原则，进行综合的总体的考虑，最后作出选优决策。
决策的原则包括：
（1）当前与长远利益相结合。
（2）局部与整体效益相结合。
（3）内部与外部条件相结合。
（4）定量与定性相结合。
5、系统分析的步骤：
（1）总体分析。
这一步主要是确定系统的总目标及客观条件的限制。
（2）任务与要求的分析：
为实现总目标需要完成哪些任务以及满足哪些要求。
（3）功能分析：
根据任务与要求，对整体系统各子系统的功能和相互关系进行分析。
（4）指标分配：
在功能分析的基础上确定对各子系统的要求及指标分配。
（5）方案研究：
为了完成预定的任务和各子系统的指标要求，需要制定出各种可能实现的方案。
（1）分析模拟：
由于一个大系统往往是受许多因素的影响，所以当某个因素发生变化时，系统指标也会随之发生变化，这种因果关系的变化通常要经分析模拟来确定。
（2）系统优化：
在方案研究和分析模拟的基础上从可行方案中选出最优方案。
（3）系统综合：
选定的最佳方案至此还只是原则上的东西，欲使其付诸实现，还要进行理论上的论证和实际设计。
通常情况下，为解决某一系统问题，首先要建立系统的总目标，并经分析和论证，说明总目标建立的合理性，确定系统建立的社会价值，这样可以防止盲目性，避免造成各种可能的损失与浪费。
调查分析是用以初步检验系统分析的预期目标。
首先分析现有系统或考察系统的不足之处和不适应环境的原因；其次，分析拟建系统应具有功能和所需的条件，最后围绕预期目标，分析建立系统的约束条件，如资金、材料、技术、时间等。
设想解决问题的方案和初步可行性探讨后通过系统的概略模型，并按概略模型反复进行模拟，评价功能的完成程度，最后在此基础上探讨目的和目标成功的可能性。
若达不到要求，则需修改目的和功能，或者采取措施改进现有技术条件。
通过系统目标分析，一是论证目标的合理性、可行性和经济性：
二是获得分析的结果——目标集。
四、系统设计
1、系统设计的概念
系统设计是在系统分析的基础上进行的。
系统分析为系统设计所提供的成果是：
新建或改建系统的必要性、可能性和可行性；系统的目标与系统的约束；新建或改建系统的框架结构和评价基础；几种有价值的可供进一步加工的系统方案。
系统设计的任务就是充分利用和发挥系统分析的成果，并把这些成果具体化和结构化，设计出最大限度满足系统要求说明书的具体设计来。
所谓系统设计，是指在系统分析的基础上，用系统思想综合运用各有关学科的知识、技术和经验，通过总体研究和详细设计等设计环节，落实到具体的工程上，以创造满足系统目标要求的人工系统。
2、系统设计的过程与程序
系统设计的过程是“目标—功能—结构—效益”的多次分析与综合的过程，以产生最优方案。
系统设计的主要任务，也是产生解决问题的最优方案，而在方案的寻优过程中又充满着综合与分析的交叉作用。
这正体现了系统设计法的基本方法——“分析—综合”的方法贯穿于系统分析设计的全过程。
综合与分析是合理解决目标—功能—结构—效益之间协调的技术，二者在方案寻优过程中实现统一。
综合，在系统设计过程中可理解为各种解决问题要素拼合的模型化过程，这是一种高度的创造性行为。
这正体现了系统方法在现代科学技术发展中应用而使现代科学技术呈现为“系统合成”型科学技术的特点。
分析是综合的反行为，又是提高综合水平的必要手段。
分析意为分解与剖析，它对综合后产生的解决方案（包括已经制定的基本目标、各种功能、结构完整性以及实施条件和效果等）提出质疑、论证和改革。
分析的作用就体现为不断把结果与要求作对比，找出方案的缺陷，以便不断完善方案。
通过分析，剔除不合适的方案或方案中不合适的部分，为改善、提高和评价作准备。
综合与分析在系统设计过程中是不可分割的整体。
因为最优的系统设计的方案是通过多方案的比较而产生的，因此，系统设计要多方案，能否从多方案中选出最优方案，关键是能否从现有技术条件出发设计出尽可能多的方案，但另一方面，当方案足够多时，由于方案设计及所需试验费用大大超过因选优所得到的收益的话，那么这种做法也是值得考虑的。
通常的做法是供选的方案不宜过多。
系统设计阶段的工作步骤：
先对系统设计的方针和方法家以研究、制定和评价，提出草案；在此基础上，为设计收集和整理数据资料，根据这些资料评价子系统和总系统；进而设计和评价实现方法，设计出系统的供选方案。
五、系统综合评价
1、系统综合评价的概念
在系统设计法的基本方法中，不论是分析或综合的选优过程，都有一个对其结果进行评价的环节，就系统分析设计的全过程来看，评价工作亦不仅在整体系统的全部设计完成后是需要的，它在整个设计过程中的每一个阶段里也是需要的。
往往因为系统达到的目标很多，而且在各方面又有不同的要求，这些要求有时甚至是互相矛盾的。
这就决定了对系统的评价工作带有综合性的特点，即要从总体上对其各项目标值进行综合评价，称为综合评价。
系统综合评价是系统设计法过程中的一个复杂而又重要的工作环节，它是方案选优与决策的基础。
2、系统综合评价的原则
（1）要保证评价的客观性。
必须注意评价资料的全面性和可靠性；防止评价人员的倾向性。
（2）要保证方案的可比性。
个替代方案在保证实现系统的基本功能上要有可比性和一致性。
不能搞“一俊遮百丑”。
更不能为突出某个方案，而搞“陪衬”方案，从而失去了评价的真意。
（3）要有评价指标体系。
评价指标要包括系统目标所涉及的各个方面，而且对定性问题也要有恰当的评价指标，以保证评价不出现片面性。
（4）评价指标必须与国家的方针、政策、法规的要求相一致，不允许有违背和疏漏之处。
3、系统综合评价的步骤
（1）对各被评价的方案做出简要的说明，使方案的特点、优缺点清晰明了，便于评价人员掌握。
（2）确定由分项和大类指标组成的指标体系或评价指标系统图。
（3）确定表明各大类及单项评价指标重要性的权系统，并从整体上予以调整。
（4）进行单项评价，查明各单项评价指标的实现程度，得出各单项评价指标值。
（5）进行单项评价指标的综合，得出大类指标的价值。
（6）进行综合评价，综合各大类指标的价值，得出系统的总价值。
复杂系统的多目标的特点决定了系统往往要达到多个有时是相互矛盾的指标，因此选优过程在数学上，反映为多因素决策过程。
本课题使用的AHP（层次分析法）及改进的TOPSIS方法、灰色聚类综合评价方法、关联分析综合评价方法等都是用来解决综合评价问题的。
附：
层次分析法简介
AHP（层次分析法）是美国T.L.Saaty教授于20世纪70年代首先提出的一种定性与定量相结合的决策方法，在各学科领域中均有广泛应用。
在绿色住区综合评价指标体系中，我们利用AHP方法把复杂问题分解为若干有序层次，并根据对一定客观事实的判断，就每一层次各元素的相对重要性给予定量表示，利用数学方法确定出表达每一层次的全部元素相对重要性次序的数值，并通过对各层次的分析导出对整个问题的分析。
层次分析法的基本思路是：
首先根据问题的性质和要求达到的总目标，把问题层次化，建立起一个有序的递阶系统，本课题中框图4—1所示的利用AHP方法表达“绿色住区综合评价”指标体系的模型就是一例。
其具体做法是：
根据对问题的分析，将包含的因素聚类成组，并把它们的共同特性看作系统中新的层次的一些元素，它们也将按照另外一组特性被聚集组合，形成另一更高层次的元素，直到最终构成单一元素的最高层——总目标。
在本课题中，我们构建的递阶层次结构模型的最低层为绿色住区的基本设计指标（D层），再依次向上聚类形成C层和B层，直到最终构成单一元素的最高层——总目标（A层）。
然后对系统中各有关因素进行两两比较评判，通过对这种比较评判结果的综合计算处理，最终把系统分析归结为最低层相对于最高层（总目标）的相对重要性权重的确定或相对优劣次序的排序问题。
建立起递阶层次结构模型后，上下层之间各因素的隶属关系就被确定了，问题即化为层次中的排序计算问题，在排序计算中，每一层次中的排序又可简化为一系列成对因素的判断比较，并根据一定的比率标度将判断定量化，形成比较判断矩阵如下：
A.B1B2……Bn
B1b11b12……b1n
B2b21b22……b2n
·
升级会员 