高层建筑剪力墙设计结构优化研究.pdf

江西建材规划设计与建筑1572023年6 月高层建筑剪力墙设计结构优化研究胡 栋四川易莱凯源工程设计有限公司，四川 成都 610000摘 要：文中在剪力墙设计时引入遗传算法，建立计算模型，并对相关模型进行计算。结合遗传算法机理及高层建筑剪力墙结构设计主要内容，给出了用于高层建筑剪力墙结构优化设计的计算过程、约束条件以及计算步骤等内容。通过分析实际算例可知，遗传算法能在保障建筑物安全的条件下对结构构件成本进行优化。关键词：剪力墙；设计优化；成本优化；遗传算法中图分类号：TU973文献标识码：A文章编号：1006-2890（2023）06-0157-03Research on Structural Optimization Design of Shear Wall in High-rise BuildingsHu DongSichuan Yilai Kaiyuan Engineering Design Co.Ltd.,Chengdu,Sichuan 610000Abstract:In this article introduces genetic algorithm,establishes a calculation model,and calculates the relevant models.Combining the mechanism of genetic algorithm and the main content of shear wall structure design in high-rise buildings,the calculation process for optimizing the design of shear wall structures in high-rise buildings is presented Constraints and calculation steps;Analysis of actual examples shows that genetic algorithms can effectively optimize the cost of structural components while ensuring building safety.Key words:Shear walls;Design optimization;Cost optimization;Genetic algorithm作者简介：胡栋（1990-），男，重庆人，本科，工程师，主要研究方向为建筑结构设计。0 引言随着土地资源的日益紧张及建筑材料价格的上涨，导致建筑成本不断增加。尺寸和成本的优化对于高层建筑结构十分重要1。剪力墙结构作为高层建筑的重要部分，在高层建筑中具有十分重要的地位，本文采用遗传算法对高层建筑剪力墙结构进行优化2-3，力求寻找剪力墙的最佳尺寸，使其在满足建筑要求的条件下，材料总成本最低。1 分析方法1.1 理论基础遗传算法是人工智能方法之一，由 Goldberg首次提出，Krishnamoorty首次将遗传算法应用于土木工程问题，在随后的发展过程中，发现遗传算法能够很好地解决土木工程中相关设计优化工作。在遗传算法中，首先，要确定起始代。形成这一代的每个个体都是通过用二进制数系统编码组成，并命名为人工染色体。这些人工染色体包括有限数量的序列，序列中由0 或1 组成的每个数字代表一个人工基因。对于每个设计变量，都会进行二进制编码，表示其在集合中的序列号。在优化问题中，将序列数等于设计变量数的序列数并排写入，结果形成一个个体。随后通过遗传算法的计算步骤最终形成迭代，遗传算法的迭代目的是让通过上一代所形成的新个体具有对象函数更高的适宜性程度，并通过一步步的迭代获得最适宜对象函数的结果。在钢筋混凝土系统的优化中，由于钢筋混凝土结构由两种不同的材料制成，最小的结构重量并不意味着成本最低。因此，钢筋混凝土系统优化问题中的目标函数不应是重量的最小化，而是成本的最小化4。最小化的对象函数 f（x）如下：f（x）=Ccs Wst+Ccc Vcc （1）式中，Ccs 为1kN钢的成本（元）；Wst为剪力墙总含钢量（t）；Ccc为1m3混凝土成本（元）；Vcc 为剪力墙混凝土总量（m3）。根据相关工程经验以及建筑材料成本市场价格，本文假设钢材单位重量成本与混凝土单位体积成本之比为：Ccs/Ccc=0.7 （2）对象函数表示为：minf（x）=0.7Wst+Vcc （3）剪力墙的宽度-截面长度值 lw被假定为设计变量。剪力墙单元中的配筋量（As）作为因变量，因为它对于每个变化的设计变量 lw都有不同的值5-6。需要将约束对象函数转换为无约束问题，以获得遗传算法所需的适应度准则。因此，无约束对象函数可以通过考虑总约束系数 C来表示每个个体，如下所示：（x）=f（x）（1+KC）（4）式中，（x）是一个无约束函数，其最小值由遗传算法确定；K是一个辅助系数，用于在强制约束的问题中提高约束函数 C的有效性，并确定这些类型的系统是否能够传递给下一代。总约束系数 C计算如下：江西建材规划设计与建筑1582023年6 月 （5）这里的 m是约束系数，计算如下：（6）（7）在为每个个体计算后，需要将无约束对象函数 （x）更改为具有最适配的适应度值。对于最小化问题，（x）应该从大的固定值中减去。这样所有适应度值都将变为正值，并且将根据其有效值获得个人的适应度值。该固定值是通过将 （x）的最大值和最小值相加而获得的。适应度的计算方法如下：（8）式中，Fudi代表个体的适合度，i（x）max、i（x）min分别表示由所有个体组成的总体中无约束 （x）函数的最大值和最小值。每个个体的适应度因子计算如下：Fav=Fudi/n （9）式中，n是种群中个体的总数。通过考虑这个比率，决定是舍弃每个这个个体，还是将每个个体复制到下一代的交配池中，随后为下一代创造新的个体。创建交配池后，个体会在交配池中随机交配重塑并应用交叉算子得出下一代。然后，通过更换新一代而不是老一代来重复该操作。重复此操作，直到80%或85%的新一代由同一个体构成，并且找到的这个个体代表最优解。此外，在高层建筑剪力墙优化过程中需设置约束条件，使优化过程始终能够满足房屋建设需求，结合工程实际，剪力墙优化过程中，需要遵循的约束条件包括剪力约束、钢筋百分比约束以及位移约束等内容，具体表达式如下：（10）（11）（12）式中，j为建筑物的相对楼层横向位移（cm）；hj为建筑物第 j层的层高（m）；R为主要受力钢筋直径（mm）。1.2 计算过程图1 为优化钢筋混凝土剪力墙系统优化算法流程图。在遗传算法中，操作从确定起始代开始，形成这一代的每个个体都是通过二进制数字系统编码组装在一起的，即人工染色体。这些染色体包括有限数量的序列，对于每个设计变量，都制作了表示其在集合中的序列号的二进制编码。在优化问题中，将与设计变量个数相等的序号并排写入，从而形成一个个体。本文所采用的遗传算法包括三个主要过程：复制、交配池和基因交叉。复制是根据目标函数值复制序列的步骤，在有效的复制过程中，应在下一步选择相似序列中适应度高的个体，同时留下的个体被分配至交配池中，形成新的一代。交叉过程分三个步骤进行：首先，两两选择来自世代的个体；其次，为了在所选个体的基因之间进行交叉操作，确定一个随机位置；最后，通过改变确定位置的遗传信息完成交叉操作，通过将此操作应用于上一代中的所有个体来获得新一代。图1 钢筋混凝土剪力墙系统优化算法流程图2 算例分析为论证上述遗传算法在剪力墙结构优化方面的适用性，本文采用 GENOPT程序建立上述遗传算法过程，所采用的算例为32层高层建筑，算例一层楼有三种剪力墙，每层总共有10个剪力墙。本算例中，剪力墙的大小沿着建筑的高度不断增加，为简化计算，水平截面剪力墙的宽度假定为常数，剪力墙的宽度截面长度假定为变量，假设结构中，板坯的厚度在整个系统中都是恒定的。为简化计算，设置l_wi/b_wi应大于等于7。在本例中，将其假定为设计变量，假定的适当 l_w设计变量范围如下：S=（180、190、200、210、220、230、240、250、260、270、280、290、300、310、320、330、340、350、360、370、380、390、400）通过遗传算法求取 lW1、lW2和 lW3最小化成本，即 lW值将从上述23 个不同 l中选择 lw长度值为最佳长度。计算所得成本曲线如图2 所示，计算的最佳个体等于“210”。如果将此个体分离到其序列中，则最佳剪力墙尺寸确定为 210 250 190。即lW1=210 cm，lW2=250 cm，lW3=190 cm。计算表明，采用遗传算法能够很好地做到对高层建筑剪力墙进行设计优化。在进行算例分析过程中发现，遗传算法自身所具有的可编程性使得允许自动执行迭代操作，该特性相对于传统设计优化方法而言减少了操作流程。在给出系统和预尺寸、价格和研究空间信息后，自动进行中间操作并获得结果。此外，遗传算法采用的是随机方法，并非传统优化方法的单点求解方法，因此，最终计算所得为全局最优解，在剪力墙结构优化设计问题中钢筋混凝土结构为统一受力整体，因此，遗传算法所得全局最优解完全能够满足设计优化相关需求。本文所述遗传算法主要是针对剪力墙结构的钢筋混凝土结构，计算方法也可推广至多种钢筋混凝土结构体系，并实际应用。江西建材规划设计与建筑1592023年6 月图2 计算过程所得成本曲线3 结语为建立高层建筑剪力墙结构优化设计计算模型，本文引入遗传算法建立相关模型，并对算例进行计算，所得结论如下：（1）引入遗传算法，结合建筑剪力墙结构优化相关内容，建立剪力墙设计优化计算模型，并对模型主要内容进行论述分析，得出优化设计计算过程、计算步骤等内容。（2）算例分析结果表明,所建立遗传算法剪力墙结构优化设计计算模型具有良好的适用性，能够在满足建筑要求的条件下计算出成本最小的桩身尺寸。本文研究结果对后续高层建筑剪力墙设计优化工作的开展具有一定指导意义。参考文献 1 王震.高层建筑剪力墙结构优化设计分析探讨J.中国建筑金属结构，2021（4）：70-71.2 周浪.高层住宅剪力墙结构优化设计研究D.武汉：武汉理工大学，2011.3 张瑞文.框架剪力墙高层建筑结构优化设计研究J.山西建筑，2010，36（1）：78-79.4 孔庆秋.基于绿色建筑的高层剪力墙结构优化设计J.陶瓷，2022（10）：149-151.5 赵欢欢.高层结构剪力墙优化设计及抗震性能研究 D.石家庄：石家庄铁道大学，2022.6 李俊峰，徐艳，杨晓东.错层高层剪力墙结构的优化设计J.工业建筑，2012，42（12）：151-155.出来，但在规划编制、审查和报批过程中，越来越多的村民开始关注宗祠的转型和发展，并且愿意将其融入村庄的功能定位中。在乡村振兴的大潮中，宗族作为具有凝聚力的民间团体，仍可发挥积极作用。宗祠承载的互助、传承等功能，在新的时期仍具有较强生命力。因此，在村庄规划中，要深入挖掘宗祠的文化价值，针对其现状和困境给出相应的规划建议，不断增强村民对传统宗族文化的认同感，让传统宗族文化与现代文明生活更好地融合，为全面推进乡村振兴注入不竭动力。参考文献 1 陈钰凡，贺勇，浦欣成.宗族文化视角下传统村落保护及发展研究：以安徽省绩溪县尚村为例J.华中建筑.2022，40（2）：150-154.2 李学如.传统宗族保障研究述评与价值J.福建江夏学院学报，2016，6（2）：80-86.3 皮埃尔布迪厄，华康德实践与反思：反思社会学导引M 李猛，李康译北京：中央编译出版社，1998.4 刘沛林.论中国古代的村落规划思想J.自然科学史研究，1998（1）：9.5 付丽萍.传统宗族文化在当代社会的继承与发展J.文化产业，2023（13）：70-72.6 肖鹏，马小煌，王欣.新时代背景下宗族文化融入乡风文明建设的路径研究：基于湘中 D 村的田野研究J.领导科学论坛，2022（12）：76-80.（上接第156 页）中南水泥启动分布式光伏项目大规模建设6 月27 日上午，中南水泥与中材海外、华能新能源在湖南长沙举行公司湖南区域光伏项目集中签约仪式。本次签约标志着中南水泥正式启动分布式光伏项目大规模建设。首批光伏施工项目涉及韶峰南方、桃江南方、金磊南方、邵阳南方、中材株洲、安仁南方、古丈南方等7 家成员企业，总装机容量31.5 兆瓦，其中，碲化镉光伏组件占30%，是凯盛科技碲化镉产品在新天山水泥首次大规模应用，也是中国建材产业协同和央企间合作的新硕果。项目建成后可实现年均发电量约2400万度，年减排二氧化碳2.4 万吨，节约标煤0.8 万吨，将有效减少企业外购用电成本，降低能源消耗和碳排放，推进企业加快绿色低碳转型。来源：中国建材信息总网行业资讯