基于遺傳算法和準(zhǔn)則法的高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究.pdf

1、高層建筑設(shè)計不僅要滿足結(jié)構(gòu)安全、功能適用等要求，還應(yīng)做到結(jié)構(gòu)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(shè)計方法，得到的設(shè)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(shè)計時間。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)優(yōu)化理論的研究歷史悠久，在很多領(lǐng)域得到了成功應(yīng)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(jié)構(gòu)的優(yōu)化算法研究及應(yīng)用還相對比較匱乏。這一方面是由于建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計是多工況、多變量、多約束和多目標(biāo)的復(fù)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(gòu)件材料與尺寸、分析模型等)；另一方面建筑結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，規(guī)范構(gòu)造要求繁多，結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)件形式豐富，這些都給建立全面而實用的建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計算法帶來了挑戰(zhàn)。 本文針對高層建筑優(yōu)化設(shè)計的一系列問題，包括梁多目標(biāo)選筋優(yōu)化問題，構(gòu)件截面尺寸的優(yōu)化、多目標(biāo)結(jié)構(gòu)方

3、案拓撲優(yōu)化、多目標(biāo)分災(zāi)抗震設(shè)計等問題，以遺傳算法和準(zhǔn)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(shè)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(shè)計規(guī)范相關(guān)條款的深入領(lǐng)會，并充分考慮到設(shè)計和施工的可行性，結(jié)合以往的設(shè)計經(jīng)驗和標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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(chǔ)上，對框架梁多目標(biāo)選筋優(yōu)化問題進行了研究，提出了一種求解多目標(biāo)優(yōu)化問題的基于模糊綜合評價技術(shù)的遺傳算法(FMOGA)。 2.結(jié)合我國現(xiàn)行的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，對承受多工況荷載作用下的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)離散變量的優(yōu)化設(shè)計問題，提出了兩級混合優(yōu)化算法。將結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)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(jié)果作為下限，用遺傳算法完成結(jié)構(gòu)的強度優(yōu)化設(shè)計，再以單元優(yōu)化的結(jié)果作為下限，用經(jīng)過嚴(yán)密推導(dǎo)的準(zhǔn)則法完成整體

5、剛度優(yōu)化設(shè)計，重復(fù)上述兩級優(yōu)化到目標(biāo)函數(shù)收斂為止。根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的特點，在遺傳算法中提出了自適應(yīng)設(shè)計域技術(shù)，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(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，結(jié)果表明本文提出的方法是有效的和可操作的。 3.結(jié)構(gòu)的變形控制抗震設(shè)計方法是實現(xiàn)基于結(jié)構(gòu)性能設(shè)計理論的重要途徑。鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中，梁柱的變形能力及其變形是度量結(jié)構(gòu)位移水

6、平的重要指標(biāo)。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(gòu)關(guān)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(guān)系。通過虛功原理，得到了結(jié)構(gòu)的層間位移與梁柱的截面尺寸和構(gòu)造配筋之間顯式表達式。提出了鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)基于性能的兩層次抗震優(yōu)化設(shè)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(zhǔn)則法進行優(yōu)化設(shè)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(chǔ)上，建立了結(jié)構(gòu)方案

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