[发明专利]一种办公塔楼结构系统多级优化方法

说明书

本发明涉及一种办公塔楼结构系统多级优化方法，包括：步骤1：针对办公塔楼结构建立多级分解模型；步骤2：确定最优摄动构件组；步骤3：设置驱动约束，通过驱动约束的冗余度将设计约束划分为约束过度、约束适度、约束平衡和约束不足四种状态；步骤4：计算各个构件组的敏感性系数；步骤5：根据相对敏感性系数的数值对构件组进行分类；步骤6：采用基于组合排序法的双驱动约束策略对分类后的构建组内的构件进行优化；步骤7：计算分析有限元模型，直至驱动约束状态调整为适度约束，完成优化。与现有技术相比，本发明具有能够减少办公塔楼材料用料、提升结构经济性以及整体性能等优点。

技术领域

本发明涉及结构工程技术领域，尤其是涉及一种办公塔楼结构系统多级优化方法。

背景技术

随着近年来社会经济水平的快速提升以及科学技术的迅猛发展，各大城市不断兴建了越来越多的超高层建筑以解决人口不断增长和土地资源紧张的矛盾。根据国际高层建筑与人居环境协会(CTBUH)统计数据，全球已建成高度最高前100的超高层建筑中国占50栋，其中高度最高前10的超高层建筑中国占7栋(上海中心大厦632米、深圳平安金融中心599米、广州CTF金融中心530米、天津CTF金融中心530米、北京中信大厦528米和台北101大厦508米)。建筑物是全球能源消耗的主要贡献者(30-40％)，对40-50％的温室气体排放负责。由于远高于普通建筑物的材料用量和能源消耗，超高建筑物对环境的影响已引起广泛关注，如何降低全生命周期资源和能源消耗是超高层建筑研究的重要主题。高性能结构系统是超高层建筑安全性的重要保障，结构系统在超高层建筑工程总体造价占比可达20％～30％，并且在运营阶段维护和改造费用庞大，提高结构性能、减少结构材料和优化全生命周期成本的要求贯穿超高层建筑设计的全过程。

优化技术一方面通过结构材料的高效利用有效提升了结构性能和可靠性，另一方面通过降低工程造价实现了较好的经济和环境效益，从而有利于实现高性能低成本的设计目标。土木工程基本上是单个发明材料及资源消耗大的定制化产品。由于社会总体的材料及资源消耗巨大，土木工程领域对优化设计技术有着更为迫切和广泛的应用需求。

敏感性系数是结构优化中一重要参数，表示约束条件关于优化变量的敏感程度。优化变量为构件体积时，敏感性系数表示构件单位体积变化对约束条件的影响。增加对约束条件敏感的构件尺寸，减小对约束条件不敏感的构件尺寸，可合理再分配材料。

高层建筑结构传统设计方法往往存在大量冗余，一方面消耗大量工程材料及能源，存在较大优化空间；另一方面由于未能合理有效利用结构材料，可能导致增加安全风险。此外，传统设计方法基于经验判断和人工迭代，设计工作量繁重，设计效率有待提升。目前高层建筑结构优化设计研究偏重于对以建造成本为目标的结构单一层级的优化研究，对实际工程涉及多个层级数万个设计变量和数百个工程约束条件的大规模工程系统优化问题研究较为薄弱，导致优化技术难以被工程设计人员掌握和运用。因此，亟需一种办公塔楼结构系统多级优化方法来指导对办公塔楼结构的多级优化。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能够减少办公塔楼材料用料、提升结构经济性以及整体性能的办公塔楼结构系统多级优化方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种办公塔楼结构系统多级优化方法，所述的优化方法包括：

步骤1：针对办公塔楼结构建立多级分解模型；

步骤2：确定最优摄动构件组；

步骤3：设置驱动约束，通过驱动约束的冗余度将设计约束划分为约束过度、约束适度、约束平衡和约束不足四种状态；

步骤4：计算各个构件组的敏感性系数；

步骤5：根据相对敏感性系数的数值对构件组进行分类；

步骤6：采用基于组合排序法的双驱动约束策略对分类后的构建组内的构件进行优化；