基于ISIGHT的地下室顶板无梁楼盖数值优化

付朋辉

【摘要】建筑地下室投资大，单位面积成本较高， 对其进行优化设计能够有效的减少投资金额。研究了地下室无梁楼盖结构的板厚、柱帽、混凝土含量、钢筋含量及成本的关系的变化规律;采用ISIGHT平台集成ABAQUS进行数值优化分析，得出的结论与实际工程经验吻合，优化设计方法有效、实用，可供实际工程参考使用。

【關键词】无梁楼盖;数值优化;ISIGHT

长期以来，建筑工程结构的设计依靠传统设计经验，满足规范要求即可，无法满足业主对成本控制越来越严格的要求。在实际项目中，设计周期较短，依靠传统设计方法往往无法得出最优方案，而结构数值优化技术使得到最有方案提供了可能。本文运用ABAQUS软件建立无梁楼盖有限元模型，以优化设计软件ISIGHT为平台集成 ABAQUS软件，对模型参数进行DOE分析，提取设计变量进行优化。优化后方案比原方案节省了约26%的材料成本。

1、计算条件

以某工程地下室为例，布置及柱帽尺寸如图1所示，跨度8.1mx8.1m，覆土1.2m，活荷载4kN/m2，柱截面500mmx500mm，板厚thick=400mm，第一阶柱帽厚度thick1=300mm，柱帽总高度1000mm，柱帽宽度尺寸x1=750mm，x2=300mm。

2、优化模型建立

2.1优化数学模型

2.1.1 设计变量

以单位面积材料成本（price）最低为优化目标，在跨度、柱帽总高度及荷载给定的情况下，总成本取决于板厚及柱帽尺寸。

根据优化目标选取以下设计变量：thick为楼板厚度;thick1为第一阶柱帽高度;x1，x2为柱帽水平尺寸参数。

2.1.2 目标函数

根据柱帽各控制点弯矩及板厚及柱帽尺寸建立与钢筋含量（steel）、混凝土含量（concrete）、材料成本（price）的关系。

2.1.3 约束条件

配筋率满足规范要求，抗冲切满足规范要求。根据项目实际情况，设计变量也给出约束：thick≥200mm;x1+x2≤4050mm。

2.2无梁楼盖有限元模型建立

采用ABAQUS软件，用inp输入文件建立模型，并为各个尺寸参数赋初值。模型采用S4R单元，单元尺寸均为100x100左右，四周施加对称荷载。

3、ISIGHT集成ABAQUS的优化

3.1优化过程

首先，利用ABAQUS对无梁楼盖进行有受力分析，并提取各控制点弯矩。然后根据弯矩及尺寸参数计算成本（price）、钢筋含量（steel）、混凝土含量（concrete）。最后采用ISIGHT软件中pointer优化器进行优化，优化目标为材料成本（price）最低。

3.2优化结果

目标函数优化进程见图2。由优化结果可知，对目标函数price影响影响程度排序如下：thick、x1、thick2、x2，见图3。

优化前后参数对比见表1，优化后材料成本降低约26.68%，有较大的经济效益。

根据优化过程及结论，可知板厚对成本起决定作用，板厚越小混凝土及钢筋用量越小，柱帽尺寸越大材料成本越低。初始值板厚取400mm，柱帽总尺寸为2400mmx2400mm，优化后板厚200mm，柱帽总尺寸为4000mmx4000mm。优化后混凝土含量减少38.6%，钢筋用量减少12.7%。

需要指出的是，无梁楼盖结构冗余度较低，当一跨破坏时会引起连续倒塌。加之温度应力对结构抗冲切能力削弱，顶板荷载超载等不利因素，无梁楼盖板厚不宜取过薄。

结论：

通过ISIGHT优化平台，集成ABAQUS，对无梁楼盖进行优化，优化后材料成本可节省26.68%。结果表明，应用ISIGHT集成ABAQUS仿真优化技术，用于建筑工程可有效的减少投资金额，可以为结构工程师的设计工作提供参考。

参考文献：

[1]朱小龙，于兰峰，郭俊材，等.基于ANSYS和ISIGHT的桥式起重机主梁结构轻量化设计[J].矿山机械，2012（12）：52-55.

[2]Sergey PEIGEN，朱自强，Boris EPSTEIN.可应用于民机空气动力设计中的数值优化方法[J].航空学报，2012，35（1）：58-69.