基于混合算法的建筑结构优化设计_李刚

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1、结构及多学科优化工程应用与理论研讨会’2009（CSMO-2009）中国·大连—2009年9月3日-4日基于混合算法的建筑结构优化设计李刚陆海燕（大连理工大学工程力学系工业装备结构分析国家重点实验室，大连116023）摘要：结合我国现行的建筑结构设计规范和结构设计经验，建立了配筋模板数据库，将梁柱的计算配筋面积转换成最优的满足规范和施工要求的实际配筋形式。提出了基于混合算法的多工况多约束多变量的建筑结构优化设计方法，并将其法在建筑结构设计专用软件上进行了程序实现。对一个30层建筑结构进行了优化设计，结果表明本文提出的方法是有效的和可操作的。关

2、键词：混合算法、多工况、多约束、多变量、结构优化0引言结构优化理论的研究历史悠久，在很多领域得到了成功应用，并且开发了许多具有优化功能的大型有限元软件。然而，针对建筑结构的优化算法研究及应用还相对比较匮乏。这一方面是由于建筑结构的优化设计是多工况、多变量、多约束和多目标的复杂的离散变量优化问题，且存在大量的不确定性（如荷载、构件材料与尺寸、分析模型等）；另一方面建筑结构体系复杂，规范构造要求繁多，结构形式和构件形式丰富。这些因素给建筑结构（特别是高层建筑）优化设计的算法研究与应用带来了挑战。一般来说，建筑结构优化包含构件局部强度与刚度约束下的

3、单元优化设计和结构侧移约束条件下的整体刚度优化设计两个级别。一些学者对建筑结构侧移约束条件下的整体刚度优化设计问题做了深入的研究，Chan根据最优性准则K-T条件推导了优化算法的迭代公式，并成功应用到香港地区[1,2]一些高层建筑结构设计中，取得了较好的结果；程耿东和李刚把基于性能的设计思想应用于建筑结构抗震优化设计中，针对钢筋混凝土框架结构、框架-剪力墙结构和基础隔震结构等开展了全寿命[3-6]总费用最小的抗震优化设计。在他们的研究中，多采用连续变量的方法，梁柱的配筋用面积来考虑，设计变量为截面尺寸。[6-13][7]近年来，遗传算法被一些

4、学者用来解决工程中在强度约束条下的离散变量优化问题。Lee[8]等用遗传算法对钢筋混凝土平面框架结构进行了单元强度优化设计，Charles等根据美国ACI规范用遗传算法对钢筋混凝土框架结构进行了优化设计，考虑了规范对梁柱配筋设计的具体要求。[9]Govindaraj等用遗传算法对连续梁的优化设计展开了深入的研究，以梁的截面高度为设计变量，通过梁的配筋模板选择截面的配筋,但由于配筋模板设计过于简单，还无法反应实际工程情况。上述研究中，尽管采用了离散的遗传算法,但由于设计中考虑的工况组合比较单一,设计结果还不能直接应用结构设计实践中；且在算法的设

5、计上，只是简单的采用罚函数法处理问题，优化效率低。事实上，构件强度与刚度约束下的单元优化设计和结构侧移约束条件下的整体刚度优化设计问题在实际的建筑结构中是同时存在，只研究一个方面，而忽视另一个方面，势必造成优化结果实用性的降低。本文结合我国现行的结构设计规范和建筑结构的特点，对承受多工况荷载作用下的钢筋建筑结构多约束和多变量的优化设计问题，提出了基于遗传算法与准则法的混合优化算法。1梁柱截面配筋数据库的建立在建筑结构设计中，已知梁柱的截面尺寸及在荷载组合下控制截面的配筋面积，如何选择最佳的配筋形式是一项极其复杂的工作。尽管，一些结构设计软件提

6、供了相应的施工图绘制模块，但其配筋的选择存在着是否经济可行的问题。本文根据规范的要求，并充分考虑到设计和施工的可行性------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------课题：国家自然科学基金项目（90815023,10721062，50578028）和教育部新世纪优秀人才计划资助李刚：1966年生，男，教授，博

7、士生导师。432结构及多学科优化工程应用与理论研讨会’2009（CSMO-2009）中国·大连—2009年9月3日-4日与方便，结合以往的设计经验，提出了梁柱的配筋模板，建立了配筋数据库，以选择梁柱的最优配筋形式。1.1梁柱截面配筋模板构件配筋模板包含了截面内纵筋的分布形式、直径和间距，以及箍筋的形式和直径等信息。在配筋模板设计上，我们提出了以下几条设计原则：（1）纵筋的直径和根数在截面上应对称分布。（2）在梁截面的上部或下部区域，钢筋可分层布置，同一区内钢筋最多分两种，钢筋的直径差不得大于6mm,直径大的钢筋分布在距截面中和轴较远处，钢筋间

8、的距离及层间净距离满足规范要求。（3）箍筋的肢距及间距符合规范要求，相邻肢间的纵筋根数不多于4根。（4）当梁的高度>450mm时增加测向构造钢筋。图.1梁截面配筋模