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结构工程优化设计研究进展

发表时间：2020/11/9 来源：《基层建设》2020年第21期作者：张国强1 叶艺东2

[导读] 摘要：结构优化是一门综合性的学科，具有理论和应用价值，是有发展潜力的研究方向。

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        2.身份证号35021219820916xxxx
        摘要：结构优化是一门综合性的学科，具有理论和应用价值，是有发展潜力的研究方向。结构优化设计是一种近代的、科学的设计方法，与传统的设计方法相比较，优化设计可以加快设计进度，节省工程造价，工程结构优化设计是一个非常复杂的过程。本文就工程结构优化研究进行研究分析，着重对工程结构优化设计的技术途径与发展做了粗浅讨论，以提高工程结构优化设计水平。
        关键词：工程结构；优化设计；发展
        结构优化是一门综合性的学科，具有理论和应用价值，是有发展潜力的研究方向。结构优化设计是一种近代的、科学的设计方法，与传统的设计方法相比较，优化设计可以加快设计进度，节省工程造价，工程结构优化设计是一个非常复杂的过程。
        1工程结构优化的发展现状
        集计算力学、数学规划、计算机科学以及其他工程学科于一体的结构优化设计是现代结构设计领域的重要研究方向。它为人们长期所追求最优的工程结构设计，尤其是新型结构设计提供了先进的工具，成为近代设计方法的重要内容之一。结构优化设计是一门综合性、实用性均很强的技术，它要面向工程设计中的各种实际问题建立优化设计模型，根据结构与力学的特点对数学规划方法进行必要的改进。现如今，无论国内还是国外。对这一现代技术的需求都有增长的趋势。随着设计技术的更新和产品竞争的加剧，结构优化设计将会有更大的发展。由于结构优化设计的工程意义，这一领域中研究的深度和广度不断得到扩展，相应的学术交流也很活跃。
        2工程结构优化设计存在的一些问题
        2.1工程结构设计规范不完善
        我国的上程结构可靠度与发达国家相比较是偏低的。尽管制订了《上程结构抗震可靠度统一标准》，但还是出现了一系列问题。目前，与规范相配且适应丁实际上程的CAD软件并不完善。必须经过充分的研究，以利于优化设计。而且对大多数结构而占，也并未给山验算大震不倒的方法。在超高层建筑结构设计方面，必须提出有关的规定和建议，尤其在建筑抗震设汁方面有待改进。
        2.2工程结构技术水平有限
        这主要体现在设计人员上。目前，许多结构设计人员不熟悉抗震规范，不熟悉无枯结予应力等新技术；也不熟悉板柱结构体系，不能熟练掌握CAD软件。此外，设计人员人多数也不熟悉建筑工程定额，技术经济观念较淡薄。因此，应及早采取有效措施来根治，以提高工程结构设计水平。
        2.3管理不善，设计市场较混乱
        目前，许多工程足边设计、边旌工、急于mI{}l，根本没有时问去论证结构方案。许多大工程的设计审查也不严，初步设计，f：不审查结构方案。口本抗震规范规定，高度大于60m的结构设计，通常要进行以地震为输人的直接动力非线性反应分析，设计结果要由同本建筑中心超高层建筑结构审查委员会审查。再经建设省特批，低于2、3类建筑要进行小震地震系数的弹性承载力验算和大震的抗倒塌验算。而我国100m以上的高层建筑结构设计，设计院做的好台，根本无人过问。因此，应加强设计管理，以利于优化设计。
        2.4多目标优化
        多目标优化过程中所考虑的优化目标不是单一的。

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一般情况下各目标函数之间往往相互矛盾，比如要取得好的安全性，就要求结构的截面面积要大，而为了取得最少重量，又要求截面面积较小。因此不存在使所有目标都达到最优的“绝对最优解”，只能求得“满意解集”，由决策者最终选定某一个满意解作为最后定解。实际工程中，多目标优化一般用于工程系统决策，即在工程决策方面先采用多目标优化进行方案确定，再优化各个分目标。不同的优化设计数学模型有不同的求解方法。主要有以下几种方法：一是约束法。在多个分目标中选择一个为主目标，对其余分日标给出希望值，进而转化为单目标优化问题求解。二是功效系数法。将各分目标的“坏”价值用统一的功效系数表达，而后采用几何平均构成评价函数，进而转化成单目标优化问题求解。三是评价函数法。采用线性加权、平方和加权等方法将分目标函数综合成一个总函数进而转化为单目标优化问题求解。四是目的规划法。希望值与真实值之间的差值称为约束偏差，以约束偏差和目标偏差的某种组合作为总函数进而转化为单目标优化问题求解。
        2.5形状优化
        该种优化是以对工程的边界进行调整的方式实现工程造价的降低和施工性能的提升，主要用于合理的系统构件的边界形状的挖掘，也具有两种方式，即连续性形状优化和离散型形状优化。
        连续型形状的边界通常用曲线或者曲面来描述，在采用数值法进行优化设计时可以应用发展相对成熟的约束线性法进行，比如GRG和SQP法，在利用解析法进行泛函分析时可以得到优化函数的变形，从而导出满足最优解要求的形状函数，当然了，以上两种计算方式的使用顺序并没有严格的限制。
        离散型形状优化通常是以节点坐标在几何空间中的变化为基础的，而且对于尺寸和形状的优化要求比较高，其设计方法也有两种，一是把两种变量一起处理，再进行无量纲化，此种计算方法的优点是可以实现对两种变量的同时考虑，但缺点是工作量比较大；另一种方法是将尺寸和形状优化拆分为两个层次进行优化，并在优化的过程中对两个参数进行交替变化，这种计算方法的优点是得到较大规模的求解问题规模。缺点是对形状和尺寸的耦合能力较差。
        3探索新的工程结构优化设计的思路
        通常而言，工程结构优化设计主要包括三种，分别是现代优化算法、数学算法和最优算法，其中最优算法对于问题的考虑相对来说比较具有局限性，因此需要采用不同的原则对不同性质的约束进行计算，得到的结果也不是最优的，数学算法由于其巨大的计算量而使得结果的收敛比较慢，因此诞生了现代优化算法，在科技的不断发展的过程中，随着人们对自然的认识的加强，已经逐渐的开始应用仿生学的原理进行新的更加优质的算法进行计算，比如神经网络算法和遗传算法。
        遗传算法是对于自然淘汰和遗传选择的模拟，此算法的优势在于具有较强的解题能力，缺点是操作与计算的随机性比较大，在工程结构中，遗传算法主要应用于框架结构和网络结构等的优化，比如将遗传算法应用于地震灾害的预测中，可以建立有效而准确的桥梁结构的保护措施。
        总结
        总之，工程结构的优化设计，是实现建筑本体功能与控制建筑造价成本的重要手段。另一方面，建筑投资者或开发商不能过分强调结构优化设计的经济性，通过减少材料、降低技术、放低质量标准来追求经济性，同时也反对一味重视技术要求、忽略经济成本的做法。结构优化设计的终极目标是实现建筑的本体功能性、安全性、经济性与环保性。
        参考文献：
        [1]赵同彬，谭云亮，王虹，孙振武，肖亚勋.挡土墙库仑土压力的遗传算法求解分析[J].岩土力学，2018（04）.
        [2]曹洪涛，董军，居雅楠.基于MATLAB的钢―混凝土组合梁截面多目标优化设计[J].四川建筑科学研究，2018（01）.