建筑结构优化设计的研究

建筑结构优化设计的研究

【摘要】论述了结构优化设计的意义和原则，分析比较了传统优化设计方法和现代优化设计方法的优缺点。介绍了优化设计的关键技术和常用方法。

【关键词】结构设计；优化；技术

建筑结构设计是指在满足约束条件及按预定目标下，对工程结构的设计求出最优化方案的设计方法，就是把各种技术工学的成果汇集并统一在一个建筑物上的表现。可以说，“结构设计”是结构方案的方法，是把结构应有的状态原原本本地表现在建筑上，实现结构所创作出的美丽的空间调和、跃动感、紧张感，以及出色的居住性能。在这个结构的优化过程中，高速发展起来的各种各样的技术工学被应用、被统一，建筑的安全性、耐久性、经济性的结构设计在优化过程中得到充分考虑。

一、建筑结构优化设计的原则

建筑结构设计不仅仅包括建筑的结构本身，而且包括建筑的经济效益、居住的舒适度及建筑空间的使用率等等。所以建筑结构设计需要严格按照一定的基本原则。

（1）使不规则建筑平面布置产生规则结构效应的原则。在建筑结构优化设计的过程中，需要根据不同功能的需求，通过对调节墙柱的布局和墙肢长短，使建筑结构达到经济结构和安全使用的目标。

（2）提高建筑居住舒适度的原则。建筑居住的舒适度是建筑结

构优化设计的出发点和落脚点。为提高建筑居住舒适度应该从建筑结构、装饰装修、电气安装等各方面进行整体优化设计。

（3）保证建筑结构整体安全度的原则。建筑结构的安全性主要体现在建筑的抗震设计，其标准已在我国的《建筑抗震设计规范》被提出。因此需要保证结构设计涉及到的每个部件承载能力的可靠性，最终到达建筑结构安全经济耐久的目标。

（4）针对不同构件采用不同安全系数的结构优化设计的原则。如果为了确保建筑的整体安全性而不分构件的实际承载能力，对所有构件均给予相同的安全系数，这样反而会导致结构设计的不合理。可以根据建筑不同部位的承载能力设计其需要的安全系数，达到整体优化的目标。

（5）降低建筑结构造价的原则。在保证建筑结构整体性能达到指标的前提下，尽量考虑建筑的经济性。

二、建筑结构优化设计的技术方法

结构优化设计的本质以力学理论和数学规划理论为理论基础，以计算机技术为工具，对建筑结构涉及到的各个变量进行寻找优化决策的先进的设计方法，其本质就是求极值问题。

（1）优化数学模型。建立正确合理的优化数学模型是结构优化设计的关键步骤，基于正确的优化数学模型是得到正确优化结果的基础。例如，在优化模型中，数学模型中的等式约束个数应当小于设计变量的个数，这样才能求得最优解。

（2）优化数学算法和优化迭代控制。对于建立的优化数学模型，

虽然可用的优化算法有多种，但是采用不同的优化算法所得到的优化效果和所花费的求解时间会有差别。所以，快速、有效的数学优化算法也是结构优化设计的一项关键技术。

（3）结构分析方法。绝大多数的结构优化设计问题难以采用解析法求解，而是采用数值法的方法。数值解的寻优实际上是一个优化迭代过程，而每次优化迭代都需要进行结构分析。

实现以上提到的关键技术需要经过建立可靠的优化模型，然后采用适当的优化算法进行求解。这其中选择计算简便且正确率高的优化算法显得尤为重要。以下介绍几种常用的优化算法。通过结构优化准则计算得到的最优结构必须满足位移、应力、临界力等约束的优化准则。

2.1多目标问题的优化方法

在许多实际建筑工程结构设计问题中，对于大量的设计方案要评价其优劣，往往要同时考虑多个目标，即期望同时有多项设计指标都达到最优值。这就需要运用多目标函数的优化。其中包括主要目标法、统一目标法、分层序列法及宽容分层序列法等。

2.2满应力准则法

满应力准则法是以满应力为准则，本算法为了使结构的材料得到充分的利用，充分考虑各构件在最少一种工况及最不利应力的情况下达到材料的容许应力的大小，因此发挥各构件的最大使用限度。满应力准则法包括应力比法、齿行法及能量准则法三种方法，其中，应力比法是最基本最简单的迭代方法。齿行法是对应力比法

的一种改进，主要体现在迭代的方法的优化，在迭代过程中使每次的迭代点控制在主约束曲面上。通过合理的调整迭代点，使优化目标不断接近。能量准则法是以应变能作为准则，以尽量减少结构使用材料为目的。

2.3有限元准则法

结构的有限元优化分析主要运用数学方法、力学原理及计算机程序设计等多方面结合形成的优化分析方法。有限单元方法的主要用途之一就是计算力学问题。它是将数学物理力学中的连续问题离散化的一种近似计算方法。结构的有限元分析方法具有很好的通用性，它可以应用到各种结构分析的模型上。

目前在结构优化设计中，使用最多的结构分析方法是有限元法，因此，除了要求结构分析方法的求解效率高外，能够满足优化设计需要的网格自动剖分技术也是结构优化设计的关键技术之一。

2.4智能优化准则法

智能优化准则法主要体现在随着算法发展越来越智能化，智能运算在结构优化设计中应用也越来越广泛。其中，遗传算法和模拟退算法在建筑结构优化设计中得到广泛应用。遗传算法的特点在于不依赖于具体问题，运用达尔文的进化论的基本原理，处理工程中的离散变量优化问题。模拟退火算法在随机搜索上不仅引入了适当的随机因素，而且可以考虑影响目标函数值的优劣因素。

三、建筑结构优化设计的发展

随着计算机技术、智能技术的日益发展，结构优化理论应用在

建筑结构设计工程方面应用越来越广泛，其发展主要体现在以下几个方面：

（1）建筑结构优化设计向自动化方向发展。随着计算机辅助设计cad技术的发展，建筑结构优化设计的自动化程度越来越高。同时cad的图形功能可以更直观、快速、自动地表达优化设计的结果，因而形成高集成化程度的自动化结构设计系统。

（2）建筑结构优化设计向智能化方向发展。智能优化是指将计算智能引入结构优化设计的过程中，求得一种具有自组织、自适应、自学习等功能的优化算法。这种算法更适合于解决建筑结构优化设计中经验性问题和非公式化问题。这种优化算法有利于具有智能辅助决策功能的专家系统的建设。

（3）建筑结构优化设计向系统化方向发展。系统优化是指将建筑结构设计与经济效益、社会效益及施工涉及到的问题等各个方面综合起来作为一个大的系统进行优化。系统的优化需要对建筑的总体布局、结构选型、工程实施规划及施工管理等各个阶段进行优化而到达最优效果。

参考文献

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