高层建筑结构优化的若干建议

1、李振国:高层建筑结构优化的若干建议高层建筑结构优化的若干建议李振国(中国建筑上海设计研究院有限公司,上海200063摘要:针对高层建筑结构优化中大型结构约束复杂,荷栽组合多,截面与构件形式多样等特,占。从优化变量、目标函数、约束条件等几个优化中最根本的问题出发,提出符合工程需要的建议,结合适当的优化准则编制成结构优化程序,对高层建筑结构优化设计有一定的借鉴作用。关键词:结构优化;优化变量;目标函数;约束条件SUGGESTloNS oN STRUCTURE oPTIMIZATIoN FoR HIGHRlSE BUILDINGLi Zhenguo(China Shanghai Architectu

2、ral Design&Research Institute Co.Ltd。Shanghai200063,ChinaABSTRACT:Aim at some difficulties on structure optimization of tall building like complex constraints,many load combinations and plenty of sections and component forms,some suggestions for objective functions,optimization variables and con

3、straints which is the basic problems of optimization are proposed,these suggestions could be usedtO compile structure optimization program with"property optimal rules,which has the applicability to the projects.KEY WORDS:structure optimization;optimization variable;objective functions;constrain

4、t尽管结构优化理论的研究历史悠久,并有了相当多的优化实践,但一般针对小型结构优化而建立。相对而言,针对大型结构的优化算法与程序还比较匮乏。一方面受到计算速度条件的制约,另一方面大型结构约束复杂,荷载组合多,截面与构件形式多样,要建立一个全面而实用的算法涉及面非常广。此外,在这样一个结构优化程序系统中除通用优化算法本身需要大量工作外,还涉及到数据结构的组织、有限元分析内核与规范验算嵌入等问题。如果没有一个强大的结构设计软件的分析与验算程序代码及其前后处理作为基础,实用化的结构优化程序系统是很难实现的。本文针对高层建筑结构优化过程中的这些问题,提出若干建义。1优化变量及变量定义域的选取.变量选取是

5、优化处理的基本问题,不同的截面变量选取方法决定了不同的优化模型。本文的优化模型中,从单元的角度,选取与弹性分析模型相对应的杆元与墙元(考虑了变形协调划分后的墙元两种单元模型;而杆元主要取其截面作为变量,墙元取其厚度作为变量。对于杆元截面的尺寸变量,在桁架与平面框架强度问题优化中,文献Eli取截面面积A 作为变量,因为在桁架与平面框架强度问题中A与强度约束成反比;在钢框架强度优化中;文献E2-1将H、B、TW、丁,均作为变量,直接进行优化分析。在准则法连续变量的整体优化中,选择截面变量既要尽可能减少变量数目,又要能保证与约束的对应性。因为优化算法与变量的多少直接相关,变量越多,优化效率越低;另一

6、方面,如果变量不能保证与约束的相对应性,就会导致搜索方向混乱。如截面抗弯不够,当只有变量A,加大变量A,可能会向相反方向移动,优化流程会。出现没有规律的跳跃与随机搜索,出现不收敛现象。在保证与约束的相对应性前提下,从尽可能减少变量数目原则出发,本文在进行变量的连续整体优化时,将杆件的截面变量全部归结为H与B,对于可能存在的丁、Tf变量通过各构件组截面宽厚比近似处理。这样既抓住优化问题的主要方面,又简化了问题处理;定义口为Tr 与B的比值(对于H型截面取B/2,口为T与H的比值。则口、口系数在整体约束中根据每次实际计算的组截面尺寸参数计算得出。然而,对于实际工程的离散化截面优化问题,其截面尺寸H

7、、B、丁w、Tf是一个截面的外观特性,直接影响构件的尺寸;其截面特性A、工z、fs等是一个截面的力学特性,直接影响构件的造价与约束结果,作者:李振国,男,1976年12月出生,工程师,国家一级注册结构工程师。Email:I。ZHG8888163.corn收稿日期:20090304Steel Construction.2009(7,V01.24,No.12247工程设计这些都是截面的属性信息。一般而言,截面的尺寸特征又会呈现很强的离散化特点,如型钢库中,各个截面的外观尺寸是定尺的,自定义截面其外观尺寸一般也有一定的模数要求。所以,最终变量参数可采用基于完全离散化、并且可以人工干预的截面库实现,这

8、样与工程师的设计实践是一致的,保证了优化结果的实用性。各变量可以根据用户设定的离散域进行取值,这样可以保证优化结果的工程直接可用性,并提供对定义域的灵活可干预性。各截面尺寸变量为高度H与宽度B,墙的尺寸变量为厚度丁;程序提供对应的缺省离散域,用户可以自定义离散域,然后指定相应截面对应的自定义离散域。对于墙体可以指定各墙体厚度的强制关系,如为了保证下部的墙体厚度不小于上部,可以将下部墙体组厚度变量设定为大于上部墙体组厚度变量,从而可进一步保证优化结果的合理性。此外,根据构件的受力特点,对于高宽比与截面特性进行自定义截面初始限值设定。梁按宽高比1/31/2,并根据局部稳定性限值生成截面离散尺寸变量

9、;柱按高宽比1/z1,并根据局部稳定性限值生成截面离散尺寸变量;支撑考虑是拉压支撑,受压稳定控制,两个方向的回转半径应该尽可能接近。2目标函数的选择高层建筑优化所建立的模型应具有通用性,除处理钢构件外,还可以处理混凝土构件与各种组合构件,并包括基于墙元处理的混凝土剪力墙构件。因为构件类型与材料的多样化,文献34的基本方法中以混凝土材料的重量为目标函数,不能反映与工程造价的直接关系,所以不再适用。可直接以材料造价作为目标函数,目标函数表达如下:N MC=c,Ai(H;,Bi+(c耐t;(1 f=1i=1式中:第一项为所有杆件对象的造价求和;N为杆件的分组数(以截面为标志区分;Ci为第i组截面单位

10、面积对应的造价系数,表达如下:KlCiQ>:1叠(2百式中:Ki为第i类截面的总个数;zk为第i类截面第k根构件的几何长度,对其求和后按构件组统计同一类截面的构件总长度,构件总长度越长对造价的敏感度越大;a为第i类截面每立方米的造价,所有成本为综合单价,含材料、加工、安装、利润等。对各类截面处理如下:1钢截面取每吨造价为计价单位,自动转化为每立方米造价;钢截面造价参考三个参数指标:截面形状、截面材料与截面加工类型(各种厂家定尺的型钢或焊接截面,如焊接箱型截面比焊接H型截面综合单价更高;Q345钢材截面比Q235钢材截面价格更高。2钢筋混凝土截面,作为混凝土部分与钢筋部分的组合,直接取每立

11、方米造价作为计价单位,由混凝土部分与钢筋部分造价组合而得。各类截面可以不同,其中,混凝土直接取每立方米造价为计价单位,根据混凝土标号确定;钢筋取每吨造价为计价单位,根据钢筋等级确定,自动转化为每立方米造价;对于钢筋采用试算配筋近似估计用量。3钢管混凝土组合截面分解为钢截面部分与混凝土部分统计。4钢骨混凝土组合截面分解为钢截面部分、混凝土部分与钢筋部分统计;对于钢筋采用试算配筋近似估计用量。式(1中,公式右边第二项为所有墙体对象的造价求和;M为墙体的分组数(以厚度为标志区分; cw。为第i组墙体单位厚度对应的造价系数,表达如下:KfC州一%>:A*(3罱式中:C耐为第i类墙体每立方米的造价

12、,分解为混凝土部分与钢筋部分统计;K;为第i类墙体的总个数;A正为第i类墙体的第k块面积。3约束条件的考虑3.1结构整体约束根据JGJ32002高层建筑混凝土结构技术规范,对高层结构截面尺寸定量优化的整体约束主要体现在:水平风荷载与地震作用下的最大层间位移与层扭转规则性(最大层间位移比上部平均层间位移两个方面。其他如竖向规则性、整体稳定性,一般通过方案布局定性进行调整。3.2结构局部约束截面尺寸的优化对钢构件与钢管混凝土构件一般必须满足强度、稳定与挠度要求;对混凝土构件、型钢混凝土构件与剪力墙墙肢构件要满足截面限制约束、轴压比约束与钢筋合理配置约束(钢筋配筋合理且不超筋。表1给出圆形和矩形混凝

13、土截面的构件约束处理。48钢结构2009年第7期第24卷总第122期李振国:高层建筑结构优化的若干建议拄:梁支持矩形混凝土截面;柱支倚圆形、矩彤混凝土截面。参考文献4结语1朱朝艳,郭鹏飞,韩英仕混合离散变量结构优化的遗传算法本文针对高层结构优化中的约束条件复杂,截.,J.辽宁工学院学报,2002,22(2.3335.面尺寸和形式多样等问题,对优化变量和变量定义瞳1嚣蓦嚣嚣蓑散复,30(2厶形:16黼4-1门68削.悚结构优化设计域的选择、目标甬数的确定及约束条件的考虑等方3Cha。g T Y P,Li。g J,Ch。CM.A。Integrated Sy。t。of 面提出了相应的建议,这些建议在

14、工程中有一定的Computer Aided Design for Tall BuildingC/Proceedings of 适用性,并可结合适当的优化准则编制成优化软件,the SeventhInternationalConference ofComputinginCivil and 在结构设计中起到较好的辅助作用。B“i14i“gE“gineerings”“1,K。:1997:2342414孙树立。袁明武.一种高层混凝土建筑结构的优化设计方法J.T程力学,1996,12(增刊:2326.(上接第72页制造了钢锚梁疲劳试验台座、钢反力架及加载架。疲劳试验结果显示:索一塔锚同结构的疲劳强度满足设计要求。4.2跨中滑动端抗滑移系数试验设计要求钢锚梁跨中滑动端与钢牛腿的接触面摩擦系数不大于0.05。该设计要求较为苛刻,为验证产品摩擦面加工工艺是否满足设计要