钢筋混凝土框架结构优化设计研究

朱波

台州市城乡规划设计研究院有限公司 浙江 台州 318000

引言

人类有“衣食住行”四大基本需求，其中“住”的需求由建筑来满足，建筑行业的重要性不言而喻，而如今人们对建筑的要求已经不再满足于简单的遮风挡雨，而是复杂化和多样化，要求其具备更加综合的功能，以及提供更加优质的服务。相应地，建筑工程在规模和高度上让人瞠目，结构也更加复杂，这都要求对钢筋混凝土框架结构进行优化设计，以保证建筑工程项目的质量和安全，增强其抗震减灾等结构性能，同时也能够更好地控制成本。

1 结构优化概念介绍

结构优化设计就是通过利用“假定-分析-检查-设计”的思路流程进行结构设计现有方案的审视与优化，通过对已有的方案开展力学分析，并检验其安全性和可行性。结构优化设计是将各个因素进行综合考量，使得设计目标和设计要求进行有效的统一和结合，并在此基础上建立相应的数学模型，通过“假定-分析-搜索-最佳设计”的思路方法进行方案设计。这种设计方法的核心在于通过提炼最优的理论内容并将其与计算机技术进行有效的结合，进而运用于工程结构的设计之中。结构优化设计领域中应用的较为统一的思想，是基于最优设计思想的优化设计方法。总体而言，结构设计可以分成3个阶段：首先，将工程结构的设计问题转化为数学问题，建立数学模型；其次，选择合理有效的计算方法；最后，编写一个通用的计算程序，根据特定的规则对其进行判断，以保证设计方案能够满足设计的最佳条件状态[1]。

2 目前条件下的结构优化理论研究中的一些问题

本文通过对目前国内框架结构的优化设计的研究和分析，得出如下结论：首先，根据我国目前的经济发展状况，以及目前的科技发展状况，在有关建筑工程方面，尤其是关于钢筋混凝土框架结构的优化设计方面，已经取得了一些成绩，发展势头较好。然而，目前国内框架结构优化领域的各种条件和发展水平与国外相比仍有一定的差距，其主要原因在于，目前国内关于框架结构优化的理论研究还没有得到很好的解决，这些问题主要包含以下几点。

2.1 设计人员自身水平仍有较大的提升空间

在进行钢筋混凝土框架结构的设计时，设计者的专业能力和综合素质是决定其设计质量的关键，它在整个工程中起着举足轻重的作用。设计者的专业背景和总体的设计水平将直接影响到结构优化设计的效果。在具体的优化设计过程中，设计者必须要对整个项目进行科学的分析，并在此基础上建立和分析模型，并根据分析的结果对其进行改进。只有采用这样的科学的优化过程，才能使结构的优化效果达到最佳。目前，由于设计者本身对结构的认识不足，在结构优化过程中所起的作用还很大。因此，提高结构优化工作的质量，关键在于如何提高设计者的专业技能。

2.2 忽略了结构的整体优化效果

所谓的最优框架结构设计流程，一般是指在特定的结构形式下，或在已知相关布局尺寸的结构形式内容中进行适当的调整。优化的过程主要限定于建筑物梁和柱的截面部分，优化目标是通过调节相关结构梁、柱，使二者达到一个比较平衡合理的状态，从而有效地提高其应用效果。然而，相关的局部优化仅限于对相关建筑的布局尺寸进行优化，其优化效果难以达到最佳效果，而对相关建筑的总体优化，可以从总体上考虑，并进行更深层次的优化，因此，相关的优化内容也就更具实际意义。

2.3 最优模型与工程实际需求的偏差

对于建筑的优化，其目的是通过对现有的结构进行持续的优化，从而得到最优的方案，但是，由于目标函数的计算需要在现有的情况下进行相应的计算和求解，因此，所得到的优化目标与实际需要之间存在着极大的偏差。但在工程实践中，由于各种不稳定因素的影响，使工程不能按照原来的设计要求进行施工，使现有的工程方案难以达到工程的要求，影响了工程的正常建设[2]。

3 钢筋混凝土框架结构优化设计思路

3.1 建立最优框架结构的数学模型

在进行涉及数学模型的优化过程中，主要的3个要素为目标函数、设计变量以及约束条件，只有具备这三项基本要素的条件下，才能够实现设计要素的优化基础，并在此基础上制定设计标准，然后才能够对钢筋混凝土结构框架开展设计工作。在具体的设计过程中，设计变量的主要作用是在进行结构设计时通过海量的与结构相关的面积、尺寸，惯性矩以及梁间距，拱矢高等参数的计算过程，这些参数需要在具体的结构设计中进行清晰的确定，为了能够有效地测试设计内容是否符合设计要求，在论证可行性的过程中，需要对模型进行设计要求描述，以实现对各个参数的可行性分析。大多数情况下，这些集合参数是固定不变的预定参数，如果在此基础上增加设计变更能够实现对其他内容诸如跳跃，连续以及离散等参数开展优化工作，以求能够让设计内容更加符合设计要求。大多数情况下，为了能够获得更准确的矩阵计算，可以通过公式X=（X1,X2...,Xn）T进行计算，其中N为设计变量，该变量是构成设计分量组成空间的重要参数。在进行设计变量的选择过程中，要求该数值和目标函数具备关联性，同时要保证彼此之间具有实际意义和互相独立的无因次变量，并在此基础上实现对设计变量数量的有效控制，进一步简化了计算过程。

在框架结构设计的数学模型中，目标函数是指设计变量的一个函数，当设计变量自身也是一个函数时，它就被称作泛函。目标函数在进行选择时要保证其符合最佳设计原则，一般都会选择最有价值的函数。要保证这些具备重大特征的函数符合框架设计原则，在具体的选择过程中会选择经济性最好，以及最佳质量的设计内容。但是，在结构设计之前，若能清楚地确定其成本和维修成本，则往往以经济性作为主要目标，材料自身的重量不会对设计过程产生直接的影响，也不再是设计过程中的主要矛盾，此时的设计最终的目标也转变为如何平衡经济和质量之间的关联。所以，可以把重点放在突出某个方面，进行有针对性的优化，从而达到均衡的目的。从这一点可以看出，不同的设计需求，目标函数也会有不同的表现，这就需要结合具体情况来决定。在实际工程中，一般都会选取两个或多个目标函数，按照下列流程开展建模工作，首先将目标函数的最轻、最经济的目标函数组合成一个复合目标函数。该函数可以用公式F（X）=a（重量）+ b（价格）作为计算方法，重量和价格两个函数自身是权重系数，通过该公式的目标函数会跟随变化权重系数进行同步变化。其次，通过对某一目标函数进行限制，将其作为模型设计的一个约束条件，并将其与目标函数进行比较，并确定各目标函数的参数，从而简化了多目标问题的求解。最后，对多目标进行多目标分析，建立了多目标问题的数学模型。在此基础上，目标函数不仅要成为各设计变量的函数，还要能最大限度地体现出最主要的设计目的，同时也要保证目标函数的灵活性和敏感性[3]。

在使用上述方法的过程中，需要针对约束条件要素进行优化，该条件的存在是为了平衡结构的各种因素，一般都是由后面的来决定更搭配。但在约束过程中，不会对整体的是强度、刚度和稳定性产生任何的影响，因此，对应力和位移的限制是最基本的、不变的约束条件。其他限制可以用不等式表示。大多数情况下，在求解约束条件时，一般引入形式变量的概念，通过调节结构的设计和设计变量，使其反映应力、频率、失稳临界荷载等各种参数，从而将设计变量和性能变量结合起来，从而得到最优解。

3.2 合理选取框架结构的最佳设计方法

在一般情况下，以数学模型为基础的结构优化设计往往采用直接和间接两种方法进行具体的设计，根据其特征和设计目的，将采用直接法和间接法相结合的方法。在零阶法中，引入了惩罚函数，改变了设计的约束条件，使得它具有非约束性，从而可以用曲线拟合来描述结构的剪力分析，从而使设计参数的变化规律得以有序地表达，从而方便了目标函数的建立，从而使结构得到科学、合理地优化。一阶法虽然也是用来优化限制条件的，但和零阶法的区别在于，它是通过对设计变量进行求解，从而得到的结论是无限逼近的，达到了最小化因变量的目的。这两种算法在目前的设计中得到了广泛的应用，但相对于零阶算法，一阶法虽然精度更高，但计算起来比较烦琐，会花费大量时间，但是效果提升作用不大[4]。

3.3 对框架结构的分级优化

要对相关的钢筋砼框架进行有效的优化，既要在优化设计前选取最佳的优化方案，又要针对不同的实际条件，进行合理的分层优化。首先，在对有关的钢筋混凝土框架结构进行优化设计时，应从总体布置的角度进行相应的优化，以确保其整体布置形式和结构特性的合理性。同时，根据相关结构的外形进行了优化，并对其几何形态进行了调整，使其整体形态更加科学、合理。其次，在确定了有关建筑的结构布置、材料等要素后，对有关建筑的局部进行优化，以尽量降低工程造价，同时又能提高工程单位的经济利益，从而有效地推动了相关建筑业的发展。

4 钢筋混凝土框架结构的最优设计实践

根据以上的优化思想，在确定了模型的基础上，采用ANSYS软件进行了有限元模型的构建，并根据具体的分析，进行了有针对性的结构优化设计。比如，在某建筑项目中，需要建造一个钢筋混凝土框架，该框架长度54.3m，宽21.6m，层高3.7m。在优化结构框架的设计中，采用 ANSYS软件建立了结构的有限元模型，并给出了具体的截面面积、泊松比、弹性模量、密度等参数，并对其进行了详细的分析。然后，建立了最优设计的数学模型，首先，按楼层的层数，详细列出了各单元的设计参数，例如：主梁宽度B1=0.4，次梁宽度B2=0.4。其次，在确定框架梁、框架柱和框架整体的约束条件时，应考虑结构的抗震等级和抗震性能的要求，例如，在受压时，由正截面受弯承载力来计算混凝土受压时的高度限制条件： M<1/γRE[αgbx（h0-x/2）+ftyAts（h0-αts）]，出x≤0.47h。其中M表示弯矩设计值，γRE表示承载能力抗震调整系数，Ats表示受压区纵向的一般钢筋截面面积，b表示矩形截面宽度，h0表示截面有效高度，αts表示受压区纵向上的普通钢筋到截面受压边缘的合理距离。通过对目标函数的分析，确定了最小体积、最经济、最优等的目标函数。

首先在建立了系统的结构和分析基础上，确定最佳的设计方案，并将最佳的数据和信息转换成文件，利用最佳处理器对最佳参数进行细致的分析，并对所确定的变量、状态变量进行优化，最后将最佳数据存储到数据库中；其次，以目标函数为基础，利用零阶优化方法对模型进行优化，使其达到最佳的效果。最后，通过与原设计方案的对比，分析了该方案的效益和可行性[5]。

5 结束语

钢筋混凝土框架结构是目前建筑工程建设中比较常用的建筑结构形式，该结构形式在建筑工程建设中的合理应用，有效满足了建筑工程安全性及耐久性等方面的性能要求。但是设计人员专业能力不足、结构整体优化效果不佳、最优模型不符合施工实际等问题，导致钢筋混凝土钢架结构在应用中未能发挥最大优势。企业应当加强培训提升设计人员专业能力，设计人员应当构建最优模型，对框架结构设计进行优化，加强框架结构分级优化，增强技术应用效果，提升设计方案的可操作性和经济性。