刘心韵
柳州市建筑设计科学研究院有限公司 广西 柳州 545000
摘要:钢混（钢筋混凝土）框架形式结构的优化设计，需在寻求最优方案的过程中，仍维持建筑结构的可靠性，对具体的优化设计操作有相对较高的标准和要求。故而，本文以钢混框架形式结构的优化设计实践为课题开展深入的研究和探讨，便于为今后钢混框架形式结构的优化设计实践工作高效开展提供有价值的参考。
关键词:框架结构；混凝土；钢筋；优化设计
前言：
钢混框架形式结构凭借着施工便捷、布置灵活、高强度等特征，备受建筑业认可并广泛应用。然则，伴随建筑业持续发展，对于钢混框架形式结构设计要求也逐步提高，需要开展钢混框架形式结构的优化设计。对此，钢混框架形式结构的优化设计实践，其现实意义变得尤为突出。
1 优化设计实施要点
1.1建立数学基础模型
以约束条件、目标函数、设计变量这些元素为基础，围绕着钢混框架形式结构的优化设计建立数学基础模型。
①在设计变量层面
结构设计当中常用若干数值来实现对结构尺寸、面积、惯性矩、拱矢高、节点坐标、柱高度、梁间距等这些几何参数的描述，结构设计最终是要明确以上所有参数。可以说，每一个参数的变化，
都对应一种设计方案。但由于建筑方案等原因，部分几何参数在结构设计之前就可以定下来，故称其是预定的参数。其余可变化的参数，则是我们优化的空间，称为设计变量，设计变量的变化可实现对于另外各项参数的优化，以更好地满足于设计标准及要求。为便于实施矩阵计算分析工作，设计变量通常会设成n，X=(X1X2……Xn）T为计算式，设计向量则通过所构成的设计分量来组成相应空间[1]。在选择设计变量时，要求其务必要和目标函数存在着间接或者直接的关系，两者又互相独立，实际意义上并无因次量，把控好设计变量具体的数目，可实现简化计算分析。
②在目标函数层面
目标函数是用来衡量设计好坏的指标，钢混框架形式结构优化设计通常采用的目标函数有质量、造价、重量等。而寻求最佳质量、最优经济性、最轻重量是我们的目标，且这些目标往往不是单独存在，这就需要我们解决一个多目标优化问题。目标函数越多，计算量越大，如若优化设计前期能为一个目标确定适当的界限值，就能将该目标近似转化为约束来处理，从而减少计算量。即便如此，优化设计实践中，所选定目标函数仍是两个、甚至是超过两个的，且目标函数与目标函数之间常常相互矛盾甚至对立，例如我们工程当中安全性与经济性的关系。这使得我们在优化设计当中无法寻得一个绝对的最优解，那如何在系列非劣解当中寻求我们想要的最优解，需要我们制定一定的评判标准。设计者在落实钢混框架形式结构具体的优化设计方面工作期间，应当侧重突出一个方面，注重优化设计的针对性，方便平衡目标。在一定程度上，整体设计上所要求的目标侧重点有变化，其表现形式上也必然存在差异性，需结合具体的情况加以确定。具体建模流程如下：其一，建立复合性的目标函数，比如把造价、重量等这些目标函数组成复合函数，并表示成重量a+价格b=f（x），a、b分别代表重量和价格的权重系数；其二，限制某目标函数，构成模型设计的一个约束条件，依据该目标函数实际性质变化，其权重系数值必然也有变化产生[2]并对比另一个目标函数和权重，反复此过程可将核心的目标函数妥善确定下来，并确保各项目标函数均可满足实际的设计要求和标准，以实现多目标问题的简化处理；其三，实施多目标的有效处理。建立起多目标的问题数学基础模型，minf1(x)、minf2(x)、……minfn(x)、g1(x)≤0（i=1、2……、m）。目标函数，应当为全部设计变量的函数，并能直接反映重要设计目标，以保证其灵敏度和灵活度。
③在约束条件层面
为平衡钢混框架形式结构所有设计要素，一般会结合变形协调、动力分析、平衡等方程式，实现对约束条件全面性、科学合理性的确定。约束期间，并不会对钢混框架形式结构整体刚度、强度、稳定性等产生影响，证明其对于位移和应力方面限制属于恒定不变的一个约束条件。而其余约束条件，则借助不等式等形式表现。确定具体的约束条件期间，一般引入形态变量这一概念，通过合理调整钢混框架形式结构设计实施方案和设计变量，集中反映钢混框架形式结构形态变化和失稳的临界载荷、频率、应力等各项参数，在此基础上，把性变量和设计变量结合后，促使组合向量逐渐形成，把优化设计问题合理转化成为，Z=(Z1、Z2、……Z3)T、MinF(Z)、g1(Z)≤0（i=1/2……m），方便确定模型和实施函数计算分析。
1.2选定最适宜设计方式
以数学模型为基础钢混框架形式结构的优化设计，通常会选取间接或者直接这两种不同的设计方式来落实具体的优化设计实践工作。结合钢混框架形式结构的优化设计数学模型特点和设计目标，通常会选定间接方式当中一阶方式、直接方式当中零阶方式。零阶方式具体应用期间，以罚函数添加为主要手段，将设计约束条件转变后，让它成为一种非约束性的限制条件，经曲线拟合，直观呈现结构设计变量与目标函数之间的解析函数，将设计变量相互间关系有序表示出来，方便更好地将目标函数确定，科学落实钢混框架形式结构的优化设计具体工作；一阶方式具体应用期间，主要是以优化约束条件为主要手段，计算分析设计变量，依据计算结构，求导因变量，经求导后可了解到有限元的结果和函数无限接近，因变量可实现最小化这一目标。虽然，这两种设计方式在钢混框架形式结构的优化设计当中均普遍应用，但是，一阶方式虽有较高精度，操作过程却极具复杂性，耗时耗力，故需设计者结合实际情况予以合理化选用，以保证钢混框架形式结构整体的优化设计实施效果。
2 实例分析
那么，结合以上钢混框架形式结构的优化设计要点，建模方案经确定后，借助AMSYS建立有限元基础模型，详细分析框架结构，有针对性地去落实结构整体的优化设计。以某建筑项目工程为例，该项目工程为长约52.5m、层高3.3m、宽度19.8m的钢混框架结构，板厚度为120mm，梁规格是300mm*750mm、中柱规格是650mm*650mm、边柱规格是600*600mm。对该项目工程实施钢混框架形式结构的优化设计实践工作期间，以数学模型为基础，依据建筑层数，将设计变量列出；结合设计变量，将框架柱、框架梁和整体约束条件确定下来，着重考虑给到建筑物抗震性能方面。结合地震发生期间正截面所承受到弯承载力情况，将砼处于受压状态之下高度约束条件计算分析出来。M≤1/γRE[αfgbx(ho-x/2)+f4yAts(ho-αts],经计算分析后获取x ≤ 0.35h。M代表弯矩设定值、γRE代表承载力的抗震具体调整系数、α1代表系数、Ats代表受压区域普通钢筋纵向截面面积、b代表矩形截面实际宽度或者是倒T形的截面腹板宽度、ho代表截面有效的高度、αts代表受压区域普通钢筋纵向到截面受压的边缘实际距离[3]。而后，实施目标函数分析，结合设计要求和标准，选定最优经济、最小体积等目标函数，待数据模型基础构架建立及综合分析工作完成后，将优化设计实施方案确定下来，生成相应的文件资料，借助优化处理装置详细分析文件资料具体内容，并逐一优化状态变量和定义变量，把经优化处理过后数据信息存储好；结合目标函数，借助零阶优化实施模型优化，执行最终所确定的优化设计实施方案，获取到优化后结果，经和原有设计方案比较分析，对钢混框架形式结构的优化设计实施方案可行性和效益实施综合分析，以便于更好地保证钢混框架形式结构整体优化设计实施品质和效果。
3 结语
从总体上来说，为能够更好地开展钢混框架形式结构的优化设计实践工作，就要求广大设计者们能够通过建立数学基础模型,把握和设定好约束条件、目标函数、设计变量这些元素，选定最适宜的设计方式，并结合项目整体建设设计要求和标准，做好科学化合理化的优化调整，才能够保证钢混框架形式结构的优化设计效果得以提升。
参考文献
[1]张晋元, 刘朝阳, 王永伟. 钢筋混凝土框架剪力墙+支撑结构在公共建筑中的优化设计[J]. 结构工程师, 2018, 34(04):183-184.
[2]陈龙. 高层钢筋混凝土住宅结构优化设计研究[J]. 港口经济, 2018, 25(009):102-103.
[3]熊梦林, 湛楠, 肖博文,等. 钢筋混凝土结构与新增钢结构节点优化设计[J]. 施工技术, 2018,10(11):576-578.