建筑的结构参数化优化设计方法研究_杨斌 (1).pdf

规划设计462023/12REAL ESTATE WORLD建筑的结构参数化优化设计方法研究杨斌参数化优化设计最先应用于工业设计领域,是以工业信息化技术为依托的一种现代设计方法。参数化建模和自动寻优技术是参数化优化设计的两大基本特征。将参数化优化设计应用于结构设计领域,不仅可以将工程师从繁重的重复劳动中解放出来,提高结构设计工作效率,还可以优化标准化设计流程,提高结构优化设计水平。1 参数化优化设计理念的起源与发展二十世纪五六十年代,在变量化设计思想的影响下,参数化优化设计理念应运而生,参数化优化设计理念极大地改进了设计模型的生成和修改方式,提高了工业设计领域的工作质量及效率。它的初衷是用尺寸驱动工具来改变图形,即当更改尺寸时,对应的图形元素也会随之变化。参数化优化设计理念一诞生,便受到各行业的普遍关注。计算机绘图和辅助设计软件的出现让参数化优化设计理念正式走向实用领域。在此阶段,参数化优化设计理念主要应用于计算机辅助绘图领域,能够以图形参数库及绘图软件命令为基础,在交互式绘图的同时生成参数化绘图程序,从而实现绘图参数化。随着以 Autodesk 为代表的CAD 设计软件进入中国市场,我国的建筑设计行业开始以二次开发方式来实现参数化绘图设计。如今,在计算机辅助设计软件中,尺寸驱动已成为一般功能,建立在特征设计基础上的参数化优化设计得到越来越广泛的应用。进入 21 世纪后,ANSYS、ABAQUS 等支持参数化优化设计语言的有限元分析软件逐步成熟。通过可编程的计算机设计语言,结构工程师可以将几何建模、边界条件、荷载加载、力学分析等步骤整合为一个整体,然后利用有限元方法来实现结构构件、体系的全过程研究。这种全过程研究包括几何模型的参数化建立、有限元网格的参数化划分、材料力学特征的参数化描述、载荷和边界条件的参数化定义、力学分析过程的参数化控制以及参数化的后处理等。通过全过程研究能够将参数化建模与结构计算分析进行统一,为结构优化设计提供便捷的技术手段。2 结构参数化优化设计的意义2.1 提供了标准的闭环设计方法我国建筑行业从业人员较多,结构工程师的专业水平参差不齐。部分一线的年轻工程师受设计周期、自身水平和追责制度的限制,一味追求建筑结构的安全性,却忽视了建筑的美观性、适用性与经济性。随着国民经济由高速度增长向高质量增长转变,建筑行业逐步由粗放的设计模式向精细化、数字化、绿色化设计模式转变,结构参数化优化设计理念逐步成为行业共识。然而,结构优化设计具有较强的主观性,与工程师的理论水平、工作经验和设计理念密不可分,这使得结构优化效果大打折扣。参数化优化设计包含参数化建模、目标函数求解、动态寻优三个主要部分。其中,参数化建模是指分解建筑结构的构成要素,并对每个要素进行数字化编码,生产参数化模型的操作工程。目标函数即结构工程师所关注的建筑结构性能标准,可以是安全性指标、经济性指标、结构自摘要：随着社会经济的发展，人们对建筑的要求，已经从过去单一的安全性拓展到美观性、经济性和适用性等多方面并存，建筑结构优化设计成为当今建筑设计领域的一项关键工作。然而，传统的优化设计理念已经不能满足当代建筑设计的要求。因此，本文介绍了结构参数化优化设计的意义，总结了结构参数化优化设计要点，以期为相关人员提供参考。关键词：参数化优化设计；设计要点；寻优算法规划设计房地产世界2023/1247重和结构刚度等一种函数或组合函数。各种目标函数往往不能同时达到最优解,甚至互相矛盾,需要结构工程师根据项目需求合理确定各目标权重。动态寻优的核心是寻优算法,其目的是寻找一组建筑形体参数,使目标函数取得极值,即在给定目标下取得最优的建筑结构方案。参数化优化设计确立了一套完整的设计闭环,实现了整个设计流程的规范化、标准化,对提高整个建筑设计行业的设计水平具有重要作用。参数化优化设计流程如图 1 所示。图 1参数化优化设计流程2.2 提高结构优化设计效率结构参数化优化设计是建筑设计的重要组成部分,建筑设计师需要通过结构参数化优化设计来实现建筑形体和功能的融合,保证建筑的安全性、经济性和适用性。在建筑设计师完成建筑方案决策后,结构工程师需要提取建筑形体元素,结合建筑物的使用功能,确定结构的参数,分析结构的力学性能,并根据分析结果调整结构模型；通过反复试错和迭代形成符合设计要求的结构布置方案。在以往的工作模式中,除力学分析步骤外,其余环节均需要结构工程师深度介入。随着建筑领域的飞速发展,建筑形体越来越复杂,建筑规模越来越大,建筑功能越来越多样化,导致结构参数的数量大幅增加。因此,结构工程师深度介入的设计模式暴露出效率低下的问题。在参数化优化设计方法与计算机技术深度融合后,结构体系被拆分为可变参数模型。通过与寻优算法相结合,计算机程序可在寻优空间内搜索目标函数的最优解。因此,参数化优化设计是一种自动化、智能化与高效率的设计手段。结构工程师可通过参数化优化设计来避免重复建模,提高结构优化设计的效率和质量。3 结构参数化优化设计要点3.1 参数化建模参数化建模与普通计算机辅助设计最大的区别在于结构构件参数的动态化。结构工程师不再为某个参数赋予一个具体的数字,而是以可变的符号来表达。可以采用符号表达方式的构件参数十分广泛,包括几何形状、空间位置、材料特性、荷载数值和拓扑结构等。采用符号表达方式的结构模型具有丰富的拓展性和灵活性,模型中所建立的不再是单个构件,而是一类构件族。这些构件族又可以通过不同的方式组合成组件、子系统和结构体系。相较于不可拓展的数字化表达方式,符号化表达方式更加适合信息化、智能化应用场景,不需要人工干预即可实现设计检验的闭环反馈,极大提高了结构工程师的设计效率。3.2 约束条件和目标函数约束条件包括内部约束条件和外部约束条件。内部约束条件是指构件动态参数的合理取值和不同参数之间的逻辑关系,是保证参数化模型合理性的基础。需要注意的是,在参数化建模前,内部约束条件需要由结构工程师确定；一切参数化结构模型均需要满足内部约束条件。外部约束条件是指结构设计中的相关规范、受力计算、安装运输、构造要求等条件及设计师的个人意图。需要注意的是,初始的参数化模型可能不满足一种或几种外部约束条件,需要通过反复试错和迭代来最终满足所有约束条件。外部约束条件分为以下三种：等式约束条件,包括静力平衡方程、变形协调方程和动力平衡方程等力学基本方程；不等式约束条件,包括承载力极限状态下结构的材料强度、结构稳定性、结构刚度和正常使用极限状态下结构的位移度、构件挠度和裂缝宽度等限制条件；界限约束条件,即满足结构设计规范规定的构造要求或建筑功能、施工工艺、构件加工等其他方面要求。目标函数又称评价函数,是设计方案的比选指标。比选指标通常包括经济性指标、可靠度指标、适用性指标、规划设计482023/12REAL ESTATE WORLD抗震性能指标、防火性能指标、绿色建筑指标等。通过求解目标函数,设计人员可以对比、判断不同设计方案在某种设计准则下的优劣。3.3 寻优算法采用寻优算法进行结构优化设计,无疑是巨大的进步,极大提高了结构优化设计的效率和质量。目前,较为成熟的寻优算法包括以下四种。（1）经典优化方法。设计人员可以采用微分法和变分法对目标函数求极值,进而得到结构动态参数的最优解。目标函数极值的求解难度与结构动态参数的数量紧密相关,因而经典优化方法仅适用于动态参数数量较少的简单结构。（2）数学规划法。在动态变量构成的决策空间内,等式约束条件下的超曲面和不等式约束条件下的半空间共同构成了满足约束条件的可行域。设计人员可以采用数值分析方法寻找可行域上位于最小目标等值面上的可行点。（3）最优准则法。该方法不直接求解目标函数,而是根据约束条件和目标函数建立某种最优准则,通过迭代公式进行求解,得到满足最优准则的动态参数。需要注意的是,假定满足最优准则的动态参数为目标函数的最优解,最优准则法只能求得局部最优解,而不能求得全局最优解。目前,常用的最优准则法有满应力准则法、位移准则法等。（4）仿生学方法。该方法包括遗传算法、粒子群算法、模拟退火算法等。其中,遗传算法以二进制位串的形式将构件动态参数变换为生物染色体遗传信息；通过模拟生物繁殖的过程,在两个亲代动态参数编码串之间进行信息交换；根据适者生存的进化原理,从子代动态参数编码串中挑选出优良者；重复进行上述操作,经过若干次迭代进化后,得到最优动态参数。粒子群算法通过模拟鸟群觅食行为,先将构件动态参数初始化为一群随机解,然后根据单个随机解的局部极值和本次迭代中的粒子群极值更新动态参数,使得求解空间逐步向全局最优点有序推进。模拟退火算法通过模拟金属晶体加热后冷却过程原子由无序自发排列趋近于有序自发排列的过程,先为构件动态参数赋予一组随机值并计算其目标函数,然后使初始动态参数产生随机变化。若变化后的动态参数的目标函数大于目标值,则目标函数可作为当前的最优值。4 总结综上所述,随着我国城市化率逐步提高,建筑市场日益成熟,建筑行业转型升级已是大势所趋。建筑行业的转型升级,不仅需要创新建造方式,还需要改变设计理念,创新设计方法。工业信息化技术的发展为结构设计方法的革新指明了方向。通过参数化建模、目标函数求解、寻优算法,建筑行业结构优化设计的工作效率和工作质量得到了大幅提高。参考文献：1 董正岩.TLJ400 连续挤压机底座的结构优化 D.大连:大连交通大学,2008.2 侯永平.钢框架结构的优化设计研究 D.长春:吉林建筑大学,2016.3 刘春雨.超大跨度干煤棚网壳结构设计及优化研究 D.郑州:河南大学,2017.4 刘鹏.人机合作设计范式下的结构设计表达J.建筑结构,2022,52(2):1-9,27.5 徐卫国.参数化设计与算法生形 J.城市环境设计,2012,59(Z1):250-253.6 耿贺松,陈博文,李明伟,等.基于遗传算法与 ANSYS的结构优化方法研究 J.华北水利水电大学学报(自然科学版),2019,40(4):26-31.7 李沛豪,李东.基于改进粒子群算法的桁架结构优化设计 J.空间结构,2018,24(4):16-22.8 洪晴岚,宋燕利,冯维.基于改进模拟退火粒子群算法的立体车库结构优化 J.武汉理工大学学报,2020,42(9):50-58.作者简介：杨斌，男，1994 年生，硕士，助理工程师，研究方向：结构设计。（作者单位：中铁第一勘察设计院集团有限公司）