基于遺傳算法和準則法的高層建筑結構優(yōu)化設計研究.pdf

1、高層建筑設計不僅要滿足結構安全、功能適用等要求，還應做到結構體系受力合理、材料用量盡可能少?，F(xiàn)行的“試算-驗證-修改”設計方法，得到的設計方案不一定是滿足規(guī)范要求的所有方案中最好的(或較好的)，需要耗費大量的人力資源和設計時間。結構優(yōu)化設計是結構設計理論的重要發(fā)展，其思想內(nèi)涵不僅僅是追求體積最小或重量最輕，更重要的是要達到一種資源合理的優(yōu)化配置。結構優(yōu)化理論的研究歷史悠久，在很多領域得到了成功應用，并且開發(fā)了許多具有優(yōu)化功能的大型有限元

2、軟件。然而，針對建筑結構的優(yōu)化算法研究及應用還相對比較匱乏。這一方面是由于建筑結構的優(yōu)化設計是多工況、多變量、多約束和多目標的復雜的離散變量優(yōu)化問題，且存在大量的不確定性(如荷載、構件材料與尺寸、分析模型等)；另一方面建筑結構體系復雜，規(guī)范構造要求繁多，結構形式和構件形式豐富，這些都給建立全面而實用的建筑結構優(yōu)化設計算法帶來了挑戰(zhàn)。 本文針對高層建筑優(yōu)化設計的一系列問題，包括梁多目標選筋優(yōu)化問題，構件截面尺寸的優(yōu)化、多目標結構方

3、案拓撲優(yōu)化、多目標分災抗震設計等問題，以遺傳算法和準則法為工具，開展了優(yōu)化混合算法的研究，并基于現(xiàn)有分析及設計軟件進行了二次開發(fā)。本文的主要工作概括如下： 1.通過對設計規(guī)范相關條款的深入領會，并充分考慮到設計和施工的可行性，結合以往的設計經(jīng)驗和標準圖集，提出了梁截面選筋模板。通過建立配筋模板數(shù)據(jù)庫，將梁柱的計算配筋面積轉(zhuǎn)換成最優(yōu)的且滿足規(guī)范和施工要求的實際配筋形式。建立了梁選筋目標評價體系，采用模糊分析的方法求得方案對優(yōu)的相對

4、隸屬度。在此基礎上，對框架梁多目標選筋優(yōu)化問題進行了研究，提出了一種求解多目標優(yōu)化問題的基于模糊綜合評價技術的遺傳算法(FMOGA)。 2.結合我國現(xiàn)行的建筑結構設計規(guī)范，對承受多工況荷載作用下的鋼筋混凝土框架結構離散變量的優(yōu)化設計問題，提出了兩級混合優(yōu)化算法。將結構的優(yōu)化設計分為單元優(yōu)化和整體剛度優(yōu)化兩級，先以整體剛度優(yōu)化結果作為下限，用遺傳算法完成結構的強度優(yōu)化設計，再以單元優(yōu)化的結果作為下限，用經(jīng)過嚴密推導的準則法完成整體

5、剛度優(yōu)化設計，重復上述兩級優(yōu)化到目標函數(shù)收斂為止。根據(jù)建筑結構的特點，在遺傳算法中提出了自適應設計域技術，提高了算法的效率。將上述優(yōu)化算法在大型有限元軟件ANSYS和建筑結構設計專用軟件SATWE軟件上進行了程序?qū)崿F(xiàn)。對兩個30層的高層建筑結構進行了優(yōu)化設計，結果表明本文提出的方法是有效的和可操作的。 3.結構的變形控制抗震設計方法是實現(xiàn)基于結構性能設計理論的重要途徑。鋼筋混凝土框架結構中，梁柱的變形能力及其變形是度量結構位移水

6、平的重要指標。針對影響梁柱變形能力的軸壓比、配筋率和配箍特征值等重要因素，根據(jù)約束混凝土的本構關系，建立了梁柱塑性鉸轉(zhuǎn)動能力與配筋率、配箍特征值和軸壓比之間的函數(shù)關系。通過虛功原理，得到了結構的層間位移與梁柱的截面尺寸和構造配筋之間顯式表達式。提出了鋼筋混凝土框架結構基于性能的兩層次抗震優(yōu)化設計方法，并給出了采用兩級混合算法和基于非線性分析的準則法進行優(yōu)化設計的基本過程。 4.在專家調(diào)查和文獻資料收集整理的基礎上，建立了結構方案

7、優(yōu)化設計影響因素層次關系圖，采用模糊技術對多目標的建筑結構方案進行綜合評定。根據(jù)建筑結構設計專業(yè)和建筑設計專業(yè)的關系，提出了建筑結構設計模板，并以結構元件的組合替代結構方案設計，為建筑結構方案的優(yōu)化設計提供了一種定量的數(shù)學描述方法。在此基礎上，對多目標的建筑結構方案的拓撲優(yōu)化設計問題進行研究。 5.詳細論述了復雜結構分災設計方法的設計思想、優(yōu)化模型和基本原則以及相關的問題。指出分災元件布置方案是一個多目標決策問題，并根據(jù)投資—效