時(shí)間：2014年01月11日 分類(lèi)：推薦論文 次數(shù)：
摘要：隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們?cè)谧非笪镔|(zhì)享受的同時(shí)也將精神文明建設(shè)上升到一種標(biāo)準(zhǔn)與習(xí)慣 。人們?cè)谶x擇安全舒適的住宅環(huán)境的同時(shí)也將建筑整體的結(jié)構(gòu)美、外觀美放在一個(gè)很高的位置，這些都是優(yōu)化設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用反饋回來(lái)的良好反應(yīng)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)就是在基于建筑物舒適性、安全性、經(jīng)濟(jì)性美觀性的前提下采用一定的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法在更深層次更為合理的一種建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是建筑物在結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)試用等方面的一個(gè)很好地體現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)服務(wù)于人民的最終目的。
關(guān)鍵字：建筑設(shè)計(jì)評(píng)職論文,核心期刊論文發(fā)表,房屋建筑,結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),應(yīng)用
一.房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)的現(xiàn)實(shí)價(jià)值和應(yīng)用
1.1房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)的現(xiàn)實(shí)價(jià)值
設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，首先要考慮的就是要滿足房屋結(jié)構(gòu)效益的長(zhǎng)遠(yuǎn)化，在這個(gè)前提下，要最大限度的減少投資商的投資成本同時(shí)保證結(jié)構(gòu)上的科學(xué)合理。與傳統(tǒng)的房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念相比，現(xiàn)代房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用之后，能夠有效的降低工程成本，大約可以維持在10%—35%之間。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)的運(yùn)用，不僅能夠?qū)⒔ú牡睦寐屎托阅馨l(fā)揮到最大值，同時(shí)也使房屋內(nèi)部的各個(gè)空間之間的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)規(guī)劃，并且符合我國(guó)相關(guān)的安全質(zhì)量規(guī)定。此外，房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)的運(yùn)用還能夠?qū)Ψ课莸淖畛踉O(shè)計(jì)提供幫助，因此，優(yōu)化技術(shù)對(duì)房屋整體設(shè)計(jì)的安全、合理、舒適起著重要的作用。
1.2房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)方案和理論的應(yīng)用
房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和理論在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，即房屋總體工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化和房屋各個(gè)組成部分的設(shè)計(jì)優(yōu)化。在這其中，房屋各個(gè)組成部分的設(shè)計(jì)優(yōu)化包括很多方面，如：相關(guān)細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)部分的優(yōu)化設(shè)計(jì)、相關(guān)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)、房屋護(hù)圍結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)和房屋屋頂方面的設(shè)計(jì)優(yōu)化等，對(duì)于這些方面的設(shè)計(jì)優(yōu)化還包含很多更加細(xì)化的設(shè)計(jì)，如布置、選型、造價(jià)、受力等方面的設(shè)計(jì)優(yōu)化。相關(guān)的設(shè)計(jì)工作者應(yīng)該在滿足房屋建造的相關(guān)規(guī)定前提下，而后充分考慮造價(jià)方面的因素進(jìn)行相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化。
二、房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的經(jīng)濟(jì)性分析
2.1房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)占地方面的經(jīng)濟(jì)性
在當(dāng)前，房屋的建造形式主要以高層和超高層為主，而房屋建造的總面積是由隔層面積之和而得，所以說(shuō)，房屋的建造層數(shù)越多，相應(yīng)的總的建筑面積就會(huì)越多，由此房屋的單位建筑面積需要占用的土地面積越小。與此同時(shí)，隨著建筑層數(shù)的不斷增加，房屋高度也會(huì)隨之不斷增加，而房屋與房屋之間的間距也會(huì)隨之增加，由此可見(jiàn)，在房屋建造時(shí)，占地面積與房屋高度并不是按照一定比例進(jìn)行增加的。
2.2房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在造價(jià)方面的經(jīng)濟(jì)性
在進(jìn)行房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法以及所使用的建材的不同可能使整個(gè)工程的造價(jià)產(chǎn)生巨大的變化，因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)有必要對(duì)各種方面如結(jié)構(gòu)類(lèi)型的選擇和建筑材料的選用等進(jìn)行必要的經(jīng)濟(jì)性的考慮。在相同建筑面積時(shí),住宅建筑平面形狀不同,住宅的外墻周長(zhǎng)系數(shù)也不相同。顯然平面形狀越接近方形或圓形,外墻周長(zhǎng)系數(shù)越小,外墻砌體、基礎(chǔ)、內(nèi)外表面裝修等也隨之減少,并且受力性能好,造價(jià)會(huì)降低。考慮到住宅的使用功能和方便性,通常單體住宅建筑的平面形狀多為矩形。根據(jù)相關(guān)的統(tǒng)計(jì)顯示，采用科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方案能夠使整個(gè)工程的造價(jià)下降10%左右，甚至有的可以達(dá)到20%。房屋結(jié)構(gòu)大多是由基礎(chǔ)、柱、梁、樓板等組成，而這些部分所需的成本造價(jià)也存在很大的差異，不同的結(jié)構(gòu)類(lèi)型的工程造價(jià)是不同的。如在剪力墻結(jié)構(gòu)中，在進(jìn)行高層建筑抗震設(shè)計(jì)時(shí)短支剪力墻的抗震等級(jí)應(yīng)比相應(yīng)的剪力墻的抗震等級(jí)高一級(jí)，所以在平面設(shè)計(jì)上要盡量減少短支剪力墻的數(shù)量這樣也會(huì)相應(yīng)的減少構(gòu)造鋼筋的使用量從而減少工程造價(jià)。因此，在實(shí)際工程施工過(guò)程中，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況有針對(duì)性的進(jìn)行結(jié)構(gòu)類(lèi)型選擇。
2.3高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性
對(duì)于高層住宅而言，其層數(shù)直接與成本造價(jià)產(chǎn)生聯(lián)系，隨著層數(shù)的不斷增加，建筑中，墻體面積、柱體面積等都會(huì)隨之增加，建筑的整體自重、基礎(chǔ)的承載能力、各種管線的長(zhǎng)度同樣也會(huì)增加。因此設(shè)計(jì)一個(gè)合適的層數(shù)，不僅可以使得建筑材料大大節(jié)約，而且有利于抗 震性能的提升，同時(shí)，一個(gè)合適的建筑物高度還能夠使得相鄰建筑物之間的距離縮短，節(jié)約建筑用地。
三、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)在房屋建筑中的應(yīng)用
3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化應(yīng)注意前期參與
房屋建設(shè)的投資計(jì)劃在實(shí)際的過(guò)程中受很多因素的影響，影響最大的當(dāng)屬前期方案的確定，
前期方案的確定將直接影響整個(gè)建設(shè)項(xiàng)目的總投資成本，對(duì)目前而言在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)存在問(wèn)題最大的也是前期方案的確定問(wèn)題。在進(jìn)行房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)具體的施工人員并不將優(yōu)化設(shè)計(jì)使用在前期方案的設(shè)計(jì)之中，往往忽略考慮建筑物結(jié)構(gòu)的和理性和可行性，這樣設(shè)計(jì)出來(lái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果將會(huì)對(duì)整體結(jié)構(gòu)造成很大影響，不僅增加了后期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的困難度而且在項(xiàng)目總投資上增加了一定的成本，這些都是得不嘗試的結(jié)果。如果我們?cè)谇捌诜桨复_定是就加入結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，那么我們就能從容的針對(duì)不同的建筑類(lèi)別要求，優(yōu)化選擇合理的結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計(jì)方案，在避免上述情況發(fā)生的同時(shí)保證了工程的進(jìn)度也減少了投資商的投資資本，這是一舉兩得的最佳選擇。
3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法
從建筑上分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，它主要體現(xiàn)在房屋工程分部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和房屋工程結(jié)構(gòu)總體的優(yōu)化計(jì)量。對(duì)于房屋工程分部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要包括：基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)、屋蓋系統(tǒng)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)細(xì)部設(shè)計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和維護(hù)結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)四個(gè)大的方面，同時(shí)還包括對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中選型、空間布置、受力分析和造價(jià)等幾個(gè)小的方面。在實(shí)際的優(yōu)化設(shè)計(jì)中要一切從實(shí)際出發(fā)結(jié)合具體的工程實(shí)際情況滿足設(shè)計(jì)圖的整體規(guī)劃要求，最大限度的使平面布置規(guī)則同時(shí)減少剛度和質(zhì)量中心的差異，要著重注意減少應(yīng)力集中的現(xiàn)象。在構(gòu)建結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型時(shí)要合理選擇主要參數(shù)以創(chuàng)建函數(shù)模型，運(yùn)用合理科學(xué)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算方案和計(jì)算方法將有約束條件轉(zhuǎn)換成無(wú)約束條件進(jìn)行計(jì)算最后編制相應(yīng)的運(yùn)算程序以得出最終的優(yōu)化結(jié)果。具體步驟如下：首先是對(duì)設(shè)計(jì)變量的合理選擇，要選取對(duì)設(shè)計(jì)要求影響較大的參數(shù)，并將影響較小的參數(shù)作為預(yù)定參數(shù)，采用此方法將會(huì)達(dá)到減少計(jì)算編程的工作量的效果：其次其確定目標(biāo)函數(shù)，是函數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求的最優(yōu)解;最后進(jìn)行約束條件的確定，這里的約束條件包括應(yīng)力約束、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度約束、尺寸約束等，在保證個(gè)約束條件滿足現(xiàn)行規(guī)范要求的同時(shí)采用優(yōu)化設(shè)計(jì)合理進(jìn)行優(yōu)化是建筑物達(dá)到最完美的設(shè)計(jì)效果。
3.3概念設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)
在現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)中越來(lái)越多的因素被考慮在之中，不同于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念設(shè)計(jì)的理念的引入是一場(chǎng)思想的革新。用概念思想來(lái)進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)的方案階段根據(jù)其自身的工作經(jīng)驗(yàn)和專(zhuān)業(yè)的理論知識(shí)，在沒(méi)有確定具體方案的情況下運(yùn)用概念設(shè)計(jì)方法在腦海中進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。概念設(shè)計(jì)主要針對(duì)設(shè)計(jì)工程中對(duì)于不同的建筑結(jié)構(gòu)采用何種設(shè)計(jì)施工方法無(wú)法確定時(shí)，這時(shí)設(shè)計(jì)人員就要根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)并考慮和遵循一般設(shè)計(jì)規(guī)律在不依靠計(jì)算機(jī)的情況下得到我們想要的最終結(jié)果。概念設(shè)計(jì)的引用較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思想而言可以迅速的、有效的對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行構(gòu)思、比較和選擇，保證了工作的高效進(jìn)行的同時(shí)也幫助了建筑師確定整體結(jié)構(gòu)體系，使結(jié)構(gòu)體系和受力分析以一種清晰明朗的形式顯示出來(lái)，避免了后期設(shè)計(jì)的不必要的計(jì)算具有很高的安全可靠性。將概念設(shè)計(jì)得到的數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)計(jì)算得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較可以大大的提高運(yùn)算的準(zhǔn)確性。在實(shí)際設(shè)計(jì)中概念設(shè)計(jì)還表現(xiàn)在對(duì)一些外力的不確定因素堤建筑物的影響，其中影響最大的就是地震對(duì)建筑物產(chǎn)生的影響，因此在設(shè)計(jì)中就要首先將防震思想考慮其中，要多道設(shè)防思想是建筑物在地震發(fā)生時(shí)次要構(gòu)件先破壞以消耗部分地震能量，此外進(jìn)行延性設(shè)計(jì)也能有效的防止結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞，這些抗震設(shè)防思想在整個(gè)設(shè)計(jì)工程中都將作為概念設(shè)計(jì)的重要指導(dǎo)思想。概念設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的靈魂和核心，它貫穿于設(shè)計(jì)工程師的知識(shí)水平和設(shè)計(jì)水平也統(tǒng)領(lǐng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的全部過(guò)程。運(yùn)用結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)從整體上把握結(jié)構(gòu)的的各項(xiàng)性能，只有這樣才能對(duì)計(jì)算分析結(jié)果進(jìn)行更為科學(xué)、更為合理的采用，保證了工程師在設(shè)計(jì)之中的主導(dǎo)地位。
3.31概念設(shè)計(jì)結(jié)合細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化
概念設(shè)計(jì)應(yīng)用于沒(méi)有具體數(shù)值量化的情況，例如地震設(shè)防烈度，因?yàn)樗牟淮_定性，計(jì)算式難免與現(xiàn)實(shí)之間有很大的差異，在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候就要采用概念設(shè)計(jì)的方法，把數(shù)值作為輔助和參考的依據(jù)。設(shè)計(jì)過(guò)程中需要設(shè)計(jì)人員靈活的運(yùn)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法，達(dá)到最佳的效果。與宏觀把握相對(duì)應(yīng)的，設(shè)計(jì)的過(guò)程同時(shí)要注意對(duì)于細(xì)部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，比如現(xiàn)澆板中的異形板拐角處易出現(xiàn)裂縫，可劃分為矩形板。注意鋼筋的選擇，I級(jí)鋼和冷軋帶肋鋼市場(chǎng)價(jià)格差不多，但是他們的極限抗拉力卻相差很大，所以在塑性滿足要求的情況下，現(xiàn)澆板的受力鋼筋就可選擇冷軋帶肋鋼筋。在做里面設(shè)計(jì)的時(shí)候，外立面上的懸挑板及配筋，滿足基本的規(guī)范要求即可，達(dá)到既安全又經(jīng)濟(jì)的目的。
3.4 ANSYS在優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)先是憑借經(jīng)驗(yàn)和判斷做出結(jié)構(gòu)的初始方案，包括空間總體布置、材料選擇、結(jié)構(gòu)尺寸和制造工藝等幾個(gè)方面然后在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，最后在力學(xué)的基礎(chǔ)上校驗(yàn)其方案的可行性，必要時(shí)需要進(jìn)行多次方案修改。在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)分析只是僅僅起到了校驗(yàn)可行性的校驗(yàn)功能。而利用ANSYS進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)分析不僅只進(jìn)行一次計(jì)算就可以完成結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和尋優(yōu)計(jì)算而且能夠滿足設(shè)計(jì)規(guī)定的約束條件實(shí)現(xiàn)目標(biāo)最優(yōu)。ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析已預(yù)提的大型通用有限元分析軟件，自開(kāi)發(fā)以來(lái)不斷汲取新的計(jì)算技術(shù)和方法，在進(jìn)行高級(jí)分析時(shí)將有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)方法合理有效的結(jié)合在一起，從而構(gòu)成了基于有限元分析技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。作為工程設(shè)計(jì)人員而言并不需要具備完善的理論基礎(chǔ)只需要掌握就工程所涉及的相關(guān)背景能夠?qū)⒐こ虒?shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)換成優(yōu)化模型，這樣就可以通過(guò)使用ANSYS軟件完成工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)，ANSYS軟件的應(yīng)用不僅大大提高了優(yōu)化設(shè)計(jì)的工作效率減少了設(shè)計(jì)過(guò)程中繁瑣的編程操作而且也大大的提高了工程計(jì)算的準(zhǔn)確性，保證了工程的整體質(zhì)量。
3.41 ANSYS結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)例
根據(jù)上述優(yōu)化過(guò)程的思路，使用ANSYS對(duì)常用的三桿桁架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。三桿桁架結(jié)構(gòu)模型如圖2所示，桁架由三根桿組成，承受縱向和橫向載荷作用。優(yōu)化的目標(biāo)是使桁架的重量最小，其中三根桿的橫截面面積和基本尺寸B在指定范圍內(nèi)變化，每根桿的在最大應(yīng)力不超過(guò)400MPa。已知條件如下：
(1)桁架的材料特性 彈性模量：E=2.06×105MPa，密度：ρ=7.5×10-3g/mm3，泊松比：ν=0.3，最大許用應(yīng)力：σmax=400 MPa。
(2)幾何條件 桿的橫截面面積變化范圍：10~10000mm2，基本尺寸B的變化范圍：1000~10000mm。
(3)集中載荷 FX=5×105N，F(xiàn)Y=5×105N。
優(yōu)化設(shè)計(jì)模型是要在滿足給定的工況條件下，追求三桿桁架機(jī)構(gòu)重量的最小值。根據(jù)該問(wèn)題的情況，選擇三根桿的橫截面積A1，A2，A3以及基本尺寸B為設(shè)計(jì)變量，目標(biāo)函數(shù)為桁架的重量最小，約束條件為三根桿的內(nèi)應(yīng)力在許用應(yīng)力范圍之內(nèi)以及幾何條件。所以，可以根據(jù)式(1)將該問(wèn)題用優(yōu)化數(shù)學(xué)模型表示。 按照ANSYS的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程，采用一階方法，共進(jìn)行了10次迭代，得到了優(yōu)化結(jié)果。從結(jié)果中可以看出，當(dāng)A1=2091.5mm，A2=10000mm，A3=477.6mm，B=6062.8mm時(shí)，桁架的重量為0.2261t，在滿足給定條件下三桿桁架結(jié)構(gòu)的重量達(dá)到最小。圖2給出了目標(biāo)函數(shù)(重量)的變化規(guī)律，從圖中也能直觀地看到目標(biāo)函數(shù)的整個(gè)優(yōu)化過(guò)程以及最終的結(jié)果。
3.5下部地基基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化
地基基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化首先要選擇合適的方案，如果為樁基礎(chǔ)，那么要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件選擇樁基類(lèi)型，盡量節(jié)省造價(jià)。樁端持力層對(duì)灌注樁樁長(zhǎng)的選擇影響很大，應(yīng)多進(jìn)行比較以確定最合適的方案。
結(jié)語(yǔ)：結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)在房屋建筑中的應(yīng)用，隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、生產(chǎn)技術(shù)水平和人們生活水平的的提高以及人們對(duì)于居用建筑功能要求的不斷改變，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目前已經(jīng)得到了極大的推廣與發(fā)展。建筑是凝固的藝術(shù)，建筑師總是希望通過(guò)建筑物表達(dá)自己的設(shè)計(jì)意圖，力求藝術(shù)性和實(shí)用性的完美結(jié)合。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作同樣是一項(xiàng)事無(wú)巨細(xì)的工作，只有在今后更多的實(shí)踐中不斷積累經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題才能夠在未來(lái)的房屋建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)爭(zhēng)中占得先機(jī)。對(duì)于專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)要把提高自身職業(yè)技能和設(shè)計(jì)質(zhì)量作為終身奮斗的目標(biāo)，為國(guó)家建設(shè)行業(yè)貢獻(xiàn)自己的力量。
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