7.Вариантное проектирование.

Выбор эффективных решений при проектировании выполняется на основе технико-экономического анализа компоновки сооружении, конструктивных схем, материалов, технологии изготовления с учетом требований, предъявляемых к конструкциям зданий и сооружений в эксплуатации. Одним из основных способов, применяемых для этой цели, является вариантное проектирование. Вариантное проектирование заключается в составлении и анализе конкурирующих вариантов, из которых на основе технико-экономического анализа выбирается наиболее рациональный. При вариантном проектировании зданий и сооружений решаются два типа задач:

сравнительный анализ различных конструктивных решений при одинаковой компоновке сооружения;

сравнительный анализ компоновочных схем при одинаковых конструктивных решениях элементов сооружения.

Задачи первого типа отличаются разнообразием. В них анализируются конструктивные схемы зданий, материал конструкций, типы основных несущих конструкций (балки, фермы, оболочки и др.), формы сечений элементов. В задачах второго типа предусматривается выбор рационального шага ферм, колонн, иногда пролетов. В связи с применением типовых решений и необходимостью соблюдения модульных размеров область компоновочных задач сужается.

Для строительства выбирается тот вариант, который имеет наилучшие показатели. В качестве критериев оценки вариантов применяют следующие показатели: масса конструкций и стоимость основных материалов; стоимость конструкций в «деле», т.е. затраты на материалы, изготовление и монтаж; полные ожидаемые затраты с учетом эксплуатационных расходов.

При выборе вариантов могут использоваться экспертные оценки и методы теории решений.

Проектирование строительных конструкций обычно представляет собой последовательность проб и ошибок. На основе информации (прошлого опыта) создается первый вариант проекта. Полученная конструкция проверяется, находятся её слабые места и излишние запасы, проводится корректировка проекта. Эта процедура повторяется до тех пор, пока не будут установлены требования надежности и экономичности.

С развитием электронной вычислительной техники использование итерациональных процедур позволяет автоматизировать поиск рациональных решений и создает новые возможности в совершенствовании вариантного проектирования сравнением практически неограниченного числа вариантов.

Критерии:

расход материалов;

стоимость строительства;

расходы с учетом их отдаленных во времени эксплуатаций.

Требуется инженерная интуиция.

Вариантное проектирование эффективно:

- при проектировании уникальных сооружений с применением большепролетных конструкций, высотных сооружений, подземных сооружений большого объема.

Способ вариантного проектирования имеет следующие недостатки:

- требуется определенная инженерная интуиция при выборе вариантов для сравнительного анализа; выбранный вариант лучший из рассмотренных, но не лучший из возможных.

Пример 7.1. Разработать и сравнить варианты конструкционных решений поперечной рамы одноэтажного производственного здания пролетом 24м.

Вариант 1. (рис 7.1а) Основные несущие конструкции покрытия - балки переменной высоты с отверстиями в стенке, которые уменьшают собственную массу и служат и служат для прокладки коммуникаций. Колонны предусмотрены прямоугольного сечения с консолями, на которые опираются подкрановые балки. Колонна жёстко соединена с фундаментом. Устойчивость каркаса в продольном направлении обеспечивается продольными связями.

Вариант 2, (рис 7.1б) Улучшаем конструкцию, применяя центрифугированные колонны кольцевого сечения, которые обладаю лучшим сопротивлением сжатия, чем колонны прямоугольного сечения. В качестве основной конструкции покрытия применена железобетонная ферма с параллельными поясами.

Вариант З. (рис 7.1в) Существенно изменяется конструкция покрытия. Применяются плиты КЖС (крупноразмерные железобетонные сводчатые), которые устанавливаются на подстропильные балки. Плиты КЖС представляю собой короткие цилиндрические своды-оболочки, в которых расход материалов снижается по сравнению с плоскостными конструкциями на 25-40%.

Из рассмотренных вариантов 3ий является лучшим, так как уменьшаются: число плит в 2 раза, продолжительность изготовления и монтаж на 25-35%, трудоемкость сооружения каркаса здания на 15-25%.

Рис. 7.1

а, б и в -варианты конструктивных решений одноэтажного производственного здания.

4 вариант – напольный грузовой тр-т, нет тяжелых колонн и подкрановых балок. Колонны легкие.

1 - плиты покрытия,

2 - балка покрытия переменной высоты с отверстиями (вариант 1),

железобетонная ферма (вариант 2),

плита покрытия КЖС – крупноразмерная железобетонная сводчатая (вариант 3);

3 - колонна; 4 - фундамент; 5 - подкрановая балка;

6 - продольные связи; 7 - подстропильная балка.

Оптимальное проектирование. При вариантном проектировании оцениваются рассматриваемые решения, но при этом неизвестно, что же было отвергнуто, не попав в круг анализируемых вариантов. Вероятность того, что среди сравниваемых проектных решений находится оптимальное, невелика.

Оптимальное проектирование заключается в разработке проекта конструкций, удовлетворяющей требованиям нормальной эксплуатации и имеющей наилучшие показатели из возможных. Основу метода оптимального проектирования представляют аналитические закономерности, связывающие расчетно-конструктивные параметры изделия и организационно-технологические процессы его изготовления и монтажа с соответствующими им экономическими показателями. Преимуществом данного метода является то, что создаются условия для управления параметрами проектируемой конструкции.

Оптимальной называется система, удовлетворяющая заданным противоречивым требованиям к конфигурации конструкции, её прочности, деформативности, устойчивости, технологичности и оптимизирующая при этом решение по заданным критериям (масса конструкции, трудоемкость, стоимость с учетом расходов в течение срока эксплуатации).

Качество проекта характеризуется целевой функцией, зависящей от параметров конструкции:

C = f (x1, x2,…, xn)

где x1, x2,…, xn - параметры конструкции (форма поперечного сечения, высота, расход материалов и др.)

Оптимальной считается такая конструкция в допустимой области параметров, в которой целевая функция принимает минимальное (максимальное) значение:

C = C min(max),

Целевая функция принимает минимальное значение, если критерием оптимального решения является стоимость с учетом фактора времени или расход материалов; максимум целевой функции соответствует критерий по максимальному значению несущей способности или нагрузки.

Например, для железобетонной конструкции целевая функция общей стоимости может быть записана так:

C = f (x1, x2, x3, x4, x5, x6, x7)

где x1 - геометрические данные о поперечном сечении и его армировании (высота и ширина ребра и полок поперечного сечения, площадь сечения арматуры); x2 - данные о рабочей арматуре(класс, марка арматурной стали, вид арматурной стали); x3 - вид и класс бетона; x4 - длина элемента; x5 - стоимостные характеристики бетона и арматуры; x6 - трудоемкость технологических способов изготовлении; x7 - трудоемкость технологических способов монтажа (включая транспортирование).

Факторы x1, x2, x3 связаны с требованиями норм по проектированию, недопущения при изготовлении, монтаже и эксплуатации предельных состояний (по прочности, трещиностойкости, прогибам).

Лекции №4-5.