CN112287447A - 钢结构框架结构智能优化系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢结构框架结构智能优化设计系统及方法，包括：智能建模模块，内嵌有框架层构建模板，自动辨别主次梁级别并进行构建初步截面选取；智能计算模块，对每个体系模式进行体系优化和构件截面优化，进行钢结构框架结构迭代优化计算；智能后处理模块，对计算结果进行综合，判断结构安全性和经济性；智能绘图模块，将钢结构框架结构工程图纸进行模板化、参数化图纸定制，自动绘制和自动编辑图纸；智能计算模块，根据判断结果显示指标不满足时，进行模型迭代优化计算和综合判断，直至均满足停止迭代，输出用钢量最小的钢结构框架结构模型为建模结果；当判断结果显示均满足时，输出用钢量最小的钢结构框架结构模型为建模结果。

Description

钢结构框架结构智能优化系统及方法

技术领域

本发明涉及计算机技术领域和钢结构设计领域，尤其是涉及一种钢结构框架结构的智能优化系统及方法。

背景技术

在钢结构设计领域，钢结构框架是应用较为广泛的一种结构形式。框架式的钢结构广泛应用在工业及民用建筑的各种用途当中，诸如民用项目的钢结构框架办公楼，工业项目中的各种钢结构框架工业厂房及各种钢结构框架支架平台等均是这种结构形式的应用体现。

在钢结构框架结构中，结构构件主要框架梁、框架柱、各级次梁、水平支撑、竖向支撑、支座等构件组成，结构受力主要有功能荷载、风荷载、雪荷载、地震荷载等结构载荷。钢结构框架结构设计的依据主要有《钢结构设计标准》等相关规范规程。

在钢结构框架设计中，设计师目前广泛使用的有限元软件主要有PKPM、3D3S、STAAD.pro、MIDAS、SAP2000等大型有限元计算软件。但基于钢结构框架这种结构形式的特点和有限元软件的特点，设计师在进行钢结构框架设计时候，对于比较复杂的钢结构框架，其模型构建比较费时费力且容易出错，钢结构框架的结构构件截面需要设计师自己进行选取，在结构计算后，其计算结果文件内容繁多复杂，设计师需要在这些繁杂的结果文件中对计算结果进行人工查看梳理，并根据人工查看梳理结果进行结构模型体系及构件截面调整以求获得一个即安全又相对经济的结构模型。因此部分工作太过于繁杂，钢结构框架结构模型调整工作往往设计师在进行两三次调整满足安全要求后就不在进行结构优化工作，从而造成诸多钢结构框架工程设计结果出现用钢量较大的情况，甚至还有不少工程存在安全隐患问题。在钢结构框架图纸绘制过程中，常规设计时，设计师需利用有限元计算软件进行节点设计，然后才能进行图纸绘制工作。在图纸绘制中，PKPM、3D3S、STAAD.pro、MIDAS、SAP2000等自身软件绘制的图纸比较凌乱，需要设计师自己进行筛选和人工编辑等工作，图纸绘制工作量相对较大，影响设计效率。

基于钢结构框架结构设计计算的现有技术背景，我们开发了钢结构框架结构智能优化设计系统，该系统包含智能建模、智能计算、智能后处理、智能绘图四大模块，四大智能模块相互联动，实现了钢结构框架结构结构方案计算机自动优化的功能并能快速绘图，全面解决了现有技术中的问题，钢结构框架结构设计计算效率大幅提升，工程安全性及经济性获得了很好的平衡。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钢结构框架结构智能优化系统和方法，旨在解决现有技术中的上述问题。

本发明提供一种钢结构框架结构智能优化设计系统，基于现有大型有限元软件计算平台，大型有限元软件计算平台可以是PKPM软件平台，也可以是STAAD.pro、MIDAS、SAP2000等其它大型有限元计算软件平台。钢结构框架结构智能优化设计系统包括智能建模模块、智能计算模块、智能后处理模块及智能绘图模块等四大模块，钢结构框架结构智能优化设计系统以安全和经济为目标，四大智能模块以安全指标和经济指标为统领，通过计算机自动智能组合优化，自动调用智能建模模块、智能优化计算模块和智能后处理模块三大模块进行模型不断自行调整，迭代优化处出即安全又经济的最终工程模型，再调用智能绘图模块，自动绘制出施工图纸。本发明的钢结构框架结构智能优化设计系统本质上还是采用的是目前商用的大型有限元计算软件的核心有限元计算程序，但此钢结构框架结构智能优化设计系统，将设计师常规利用大型有限元计算软件进行钢结构框架结构计算设计时的各阶段的人工工作进行了封装并进行了联动，此系统特别是将钢结构框架结构常规不断进行结构模型调整的人工繁杂工作进行了计算机化的迭代优化处理，将设计师通常几次的结构模型人工调整工作深化到几十几百次的计算机自动计算调整，大大提升了优化调整的深度和精度，并大幅缩减了设计师的工作，实现了钢结构框架结构优化设计的智能化。

安全指标主要是指整体方面的最大位移比、震型、层间位移比、周期比，刚度比，承载力比、剪重比和刚重比及构件层面的应力比、梁挠度、长细比、宽厚比等指标，钢结构框架结构智能优化设计系统要求每项可对比的工程模型必须是安全的，迭代优化出的最终模型也是安全的，不需要人工进行模型调整。

经济指标主要是指钢结构框架结构的体积用钢量指标，在迭代优化过程中，每个模型在整体模型和模型局部构件满足安全的前提下进行不断优化调整，再进行整体用钢量对比，根据参数中设置的优化次数选择出经济指标即用钢量最优的模型为最终模型，或根据设定的用钢指标，优化出用钢量最少的钢结构框架结构模型。

智能建模模块，与智能优化计算模块、智能后处理模块、智能绘图模块连接，用于钢结构框架结构的初始化参数建模主要对钢结构框架工程条件、荷载、体系、分组、构件初始截面等参数进行设置，通过不同层的构建自动形成钢结构框架模型。通过智能建模，可以自动智能形成各种结构体系和自动进行模型构建截面的初步选型。这些参数菜单填毕后，可一键生成钢结构框架结构计算模型，此结构模型已在智能建模菜单中内嵌了工程条件信息、材料信息、细部构件信息、荷载信息等内容，可直接进行结构计算。智能建模模块填写参数后不但可以一键形成模型，还可手动进行修改编辑。智能建模模块同后续智能计算、智能后处理、智能出图相联结。智能建模模块与智能计算、智能后处理模块主要通过构件截面变化、体系变化等优化措施进行联结，智能建模模块与智能绘图模块主要通过构件信息等进行联结。

智能优化计算模块，与所述智能建模模块和智能后处理模块连接，当智能参数化模型结构计算判断结果显示安全指标和用钢指标不满足时，调用所述智能建模模块进行模型迭代优化计算(通过自动构件截面调整和体系调整等方法)，然后再调用所述智能后处理模块进行综合判断，直至所述智能后处理模块的判断结果为安全指标和用钢指标均满足时，停止进行迭代优化计算，最后再对比所有体系模式的钢结构框架结构模型的用钢量，当所述判断结果显示安全指标和用钢指标均满足时，再对比所有体系模式的钢结构框架结构模型的用钢量，直接输出用钢量最小的钢结构框架结构模型作为最终的建模结果并将迭代优化后的构件和体系赋予最终模型。在计算时，智能计算模块可根据设计师需要进行基于钢结构框架设计规程的容许应力法结构计算和基于钢结构的极限状态法结构计算进行选择。

智能后处理模块，用于对所述智能建模模块的计算结果及优化过程中每一次迭代优化后的模型计算结果进行综合，并根据预先输入的安全指标和用钢指标对所有钢结构框架结构模型的综合结果进行判断，将判断结果输入到智能建模和智能优化计算模块，在安全前提下，根据后处理计算结果，对工程模型中的构件截面进行组合修改后进行自动智能优化计算，最终达到安全前提下工程模型中的各个结构体系下的所有构件截面均达到最优值，使整个工程模型用钢量达到最小的效果。此智能后处理模块根据智能优化计算阶段设置的优化次数进行一次次组合试算，并将最终安全前提下的最优用钢量结果的结构模型汇至智能建模模块进行定型，对此定型后的模型进行计算结果输出，此计算结果输出是安全前提下的计算模型计算书；

智能绘图模块，与所述智能优化计算模块及智能后处理模块连接，用于基于现有钢结构软件计算平台，根据所述计算及后处理结果进行自动定制绘图，此功能模块可对计算结果按单线图形式进行自动绘图和智能拼图并根据参数化内容自动选择节点大样施工图纸。

为了确保钢结构框架结构智能优化设计系统迭代优化计算出的模型安全性，该系统的结构模型还可以转化为非本系统底层有限元计算软件的其它大型有限元计算平台进行计算对比，在转化为其它有限元计算软件结构模型后，进入其它有限元计算软件，将转化后的模型在钢结构材料、组合信息、设计信息调整后进行计算，并将计算结果与钢结构框架结构智能优化设计系统的模型计算结果进行对比。设计人员根据对比结果调整最终计算成果进行工程使用。

本发明提供一种钢结构框架结构智能优化方法，用于上述钢结构框架结构智能优化系统，方法具体包括：

步骤1，对钢结构框架结构建模及计算进行参数设置。根据层的概念进行钢结构框架工程条件、形状、荷载、材料、构件初始截面等参数设置。一键形成工程结构模型。

对优化计算模块进行参数设置，设置钢结构框架结构的优化计算限制条件。

步骤2，对步骤1中建模结果调用软件计算平台进行大型有限元计算程序进行结构计算，获取计算结果并对所述智能建模模块的计算结果进行综合，并根据预先输入的安全指标和用钢指标对所有钢结构框架结构模型的综合结果进行判断，获取判断结果；

步骤3，当所述判断结果显示安全指标和/或用钢指标不满足时，执行步骤2进行迭代优化计算和综合判断，直至判断结果为安全指标和用钢指标均满足时，停止进行迭代，根据计算结果对比所有模型的钢结构框架结构模型的用钢量，输出用钢量最小的钢结构框架结构模型作为最终的建模结果；当所述判断结果显示安全指标和用钢指标均满足时，根据计算结果对比所有计算结果的钢结构框架结构模型的用钢量，直接输出用钢量最小的钢结构框架结构模型作为最终的建模结果。根据步骤1中设置的优化次数，当优化次数超出设置次数仍不能满足安全指标和经济指标要求时，终止优化计算，进行人工干预。当实际优化次数不到设置次数要求而安全指标和经济指标均满足时，可以继续进行优化或提前退出。

步骤4，根据步骤3确定的最终计算模型和计算结果，进行钢结构框架结构的施工图自动绘制，自动绘制包括自动拼图功能。

步骤5，当采用本钢结构框架结构智能优化系统进行钢结构框架结构优化设计完毕后，最终计算模型还可以转化为其它大型有限元软件计算模型进行计算结果对比。

采用本发明实施例，能够使钢结构框架结构的钢结构安全、设计周期短、用钢指标优。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的钢结构框架结构智能优化系统的示意图；

图2是本发明实施例的钢结构框架结构智能优化方法的流程图。

具体实施方式

发明人在实现本发明的过程中，针对钢结构框架结构进行设计优化研究并总结出相应成果结论，将这些研究成果应用于本发明当中，在国内外流行的PKPM、STAAD.pro、SAP2000、MIDAS等大型有限元计算软件平台上开发出一款针对钢结构框架结构的优化计算及制图系统。

本发明实施例是在PKPM、STAAD.pro、SAP2000、MIDAS等流行计算软件基础上进行二此开发，也就是说，计算时仍采用以上软件进行计算，将钢结构框架结构计算参数化，形成在安全前提下以单位体积用钢指标或单位面积用钢指标为经济指标判定标准的具有智能建模、智能计算、智能后处理、智能出图功能的钢结构框架结构优化设计系统软件，此新技术开发成果能有效指导工程设计和产生经济效益。

本发明实施例的技术方案整理主要针对钢结构框架结构设计模式，将钢结构框架结构计算参数化，并能根据钢结构框架结构参数对比各钢结构框架结构用钢结果达到最终确定最佳方案的效果，并根据确定的方案进行优化计算并自动软件出图。

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"坚直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个模块内部的信息连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

系统实施例

根据本发明实施例，提供了一种钢结构框架结构智能优化系统，图1是本发明实施例的钢结构框架结构智能优化系统的示意图，其中：

1-钢结构框架智能优化设计系统；

2-判定指标；21-安全指标；22-经济指标

31-智能建模模块；32-智能计算模块；

33-智能后处理模块34-智能绘图模块

311-工程条件参数化菜单；312-结构层参数化菜单；

3121-荷载参数化菜单；3122-智能及手动分组菜单；3123-体系参数化菜单；3124-构件截面参数化菜单

313-手动建模参数化菜单；

314-修改编辑参数化菜单

321-设计参数参数化菜单；322-构件优化截面库；323-优化计算参数化菜单；331-详细计算结果信息菜单；332-模型优化安全结论及主要指标统计菜单；333-模型优化经济指标；334-计算书；341-施工图总说明；342-钢框架平面图；343-钢框架轴线立面图；344-典型节点图；345-材料表；346-智能自动拼图菜单。

如图1所示，根据本发明实施例的钢结构框架结构智能优化系统具体包括：

钢结构框架结构智能优化系统在PKPM、SAP2000、STAAD.pro、MIDAS等大型有限元计算软件上进行二次开发形成。

钢结构框架结构智能优化系统1优化判定指标分为安全指标21及经济指标22。

钢结构框架结构智能优化设计系统包括智能建模模块31、智能计算模块32、智能后处理模块33、智能绘图模块34。

安全指标21及经济指标统22统领四大智能模块31、32、33、34，是钢结构框架结构智能优化设计系统的优化标准判定的关键。

智能建模模块31包含钢结构框架结构的工程条件参数化菜单311、结构层参数化菜单312、手动建模菜单313、模型手动修改编辑菜单314等组成。结构层参数化菜单312包括荷载参数化菜单3121、智能及手动分组菜单3122、体系参数化菜单3123、构件截面参数化菜单3124等

智能优化计算模块32包含设计参数参数化菜单321、构件优化截面库322、优化计算参数化菜单323等组成。

智能后处理模块33包含详细计算结果信息菜单331、模型优化安全结论及主要指标统计菜单332、模型优化经济指标333、计算书334等组成。后处理模块中的332及333模块分别提取出来与前述的统领指标21及22相对比。

智能绘图模块34包含钢结构框架结构的施工图总说明341、钢框架平面图342、钢框架轴线立面图343、典型节点图344、材料表345、智能自动拼图菜单346等组成。

智能建模模块31、智能优化计算模块32、智能后处理模块33、智能绘图模块34相互关联连接。

智能建模模块31，核心参数是钢结构框架结构的层参数，其它参数化菜单系统中设置有默认值，默认值可以根据工程具体情况进行修改。当输入核心参数后，工程结构模型可一键自动形成，当后续智能优化计算模块32、智能后处理模块33、智能绘图模块34中的各参数菜单也采用系统默认值时，工程输入核心参数后，还可将建模、计算、后处理、绘图连成一体，一键形成施工图纸。智能建模模块31形成模型后进入智能优化计算模块进行模型有限元计算。智能建模模块31还根据智能后处理模块33形成的判断结果进行后续不断的建模模块各中参数的修改以形成新的结构模型，新的结构模型再进入智能优化计算模块32进行计算。智能建模模块31模型调整过程中还将调用智能优化计算模块32中的截面库自动不断进行模型构件的截面调整。

智能优化计算模块32，根据优化计算模块中的各种参数化菜单设置后对智能建模模块31形成的模型进行优化计算。智能优化计算模块32还根据智能后处理模块33形成的计算判断结果多次调用调用智能建模模块31及自身的构件库322进行模型的参数调整形成新模型后再进行结构计算。智能优化计算模块32根据自身优化参数化菜单323的迭代优化的设置进行不断对智能建模31、智能优化计算模块32及智能后处理模块33进行相互关联调用，直至形成满足优化需求的最终结构模型。

智能优化计算模块32，是四大智能模块中的关键模块，当智能后处理模块33所述判断结果显示安全指标和/或用钢指标不满足时，调用所述智能建模模块31形成新模型并调用自身模块32进行模型迭代优化计算，再调用所述智能后处理模块33进行综合判断，直至所述智能后处理模块33的判断结果为安全指标和用钢指标均满足时，停止进行迭代。根据参数对比所有体系模式的钢结构框架结构模型的用钢量，输出用钢量最小的钢结构框架结构模型作为最终的建模结果；当所述判断结果显示安全指标和用钢指标均满足时，根据参数对比所有体系模式的钢结构框架结构模型的用钢量，直接输出用钢量最小的钢结构框架结构模型作为最终的建模结果。在本发明实施例中，迭代的次数为参数人为设置，一般为5-10次。在完成所述迭代次数后，智能优化计算模块32如果判断结果显示安全指标和/或用钢指标仍不满足时，提示进行人工干预。

智能优化计算模块32进行迭代优化计算时，优化计算方法具体包括体系优化和局部优化两大类，体系优化分为基于钢结构框架设计规程的体系模式(设置以横向加劲肋为主模式)和基于土建结构的体系模式(设置以纵向加劲肋为主的体系模式)，局部优化包括构件截面优化、支撑设置优化、节点刚铰优化等。

智能后处理模块33根据智能优化计算模块32形成的每次计算结果形成结果信息菜单331，智能后处理模块对结果信息菜单331根据规范规程和设计参数321为依据进行信息汇总和对比，对结构模型的整体计算结果如顶点总位移、震型等进行汇总对比，如模型整体安全指标不满足则反馈给智能优化计算模块32继续进行模型调整迭代计算直至模型整体安全指标满足为止。当模型整体安全指标满足则进行下一步模型局部对比，局部对比主要为构件应力比、梁挠度位移等需满足规范规程和设计参数菜单321等有关设置要求规定。如模型局部安全指标也满足时，则结构模型安全指标则为全部满足，形成每一个安全模型的模型优化安全结论及主要指标统计菜单332。模型安全指标332与钢结构框架结构优化设计系统安全判定指标21进行对比，在优化过程中模型安全指标332符合整体安全判定指标21的前提下，进行钢结构框架结构的用钢量统计，形成钢结构框架结构的模型优化经济指标333，即形成单位体积用钢量指标或单位面积用钢量指标，再将模型优化经济指标333与钢结构框架智能优化经济指标22进行对比，若33-3符合整体经济指标22的要求，则优化成功，若不符合，则在此基础上重复调用智能建模模块31、智能优化计算模块32、智能后处理模块33再次进行模型迭代优化计算，直至安全安全指标332和模型优化经济指标33-3均满足钢结构框架结构优化设计系统整体安全判定指标21及整体经济指标22的要求。当优化计算成功时，形成计算书334，计算书334是在结果信息菜单33-1基础上形成的，依据大型有限元计算软件平台自身的计算书成果根据钢结构框架结构此类工程的特点定制形成的计算书，主要包括工程信息、设计参数设置、荷载参数设置及荷载图、整体优化计算结果(整体安全指标、整体经济指标)、详细优化计算结果等内容。

智能绘图模块34是在智能建模模块31、智能优化计算模块32、智能后处理模块33基础上对最终优化出的结构模型进行施工图纸定制的模块，此模块依赖原大型有限元计算软件自身的绘图功能，并在此基础上进行定制开发，此功能计算机自动滤除了原有限元计算软件自身绘图功能中提供的不必要的图纸，自动形成符合钢结构框架结构特点的施工图总说明341、平面图342、钢框架轴线立面图343、典型节点图344、材料表345等施工图纸，这些施工图纸经过程序开发，智能自动拼图菜单346设置，使施工图纸具备自动默认命名、自动默认标注、自动编辑等功能，可不进行人工编辑或进行少量编辑即可形成最终施工图的功能。

以下对本发明实施例的上述技术方案进行详细说明。

在本发明实施例中，每次计算结果可以采用专家用户输入的经验用钢指标作为软件经济性比对的参数，系统根据这个用钢指标判断钢结构框架结构结构布置方案是否进行迭代优化计算。迭代优化计算主要涉及智能建模模块31、智能计算模块32、智能后处理模块33这三个模块。迭代优化计算满足要求后调用智能绘图模块。

智能建模模块31、智能优化计算模块32、智能后处理模块33这三模块联系紧密，模块之间即相互关联又相互独立，以方便运用系统一体化优化建模计算和运用系统优化非此程序建模的其它已有模型。

智能建模模块31考虑杆件优化、体系优化在建模阶段的便宜性并为智能优化计算模块32留有程序自动迭代的选项参数，智能建模模块31可重点考虑杆件优化、支撑设置优化、节点刚铰优化等对用钢结果影响较大的手段，杆件优化可以在现有大型有限元计算软件(如PKPM)现有基础上根据设立的选用规则进行参数化智能化选用杆件库。

智能优化计算模块32与智能建模模块31和智能后处理模块33相互衔接，当智能后处理模块33结果显示安全无问题用钢指标不满足时，调用智能建模模块31有关参数进行模型优化并重新计算并对比智能后处理模块33的结果，直至智能后处理模块33的结果即安全又满足用钢指标即宣告优化结束，否则，在迭代计算达到设置次数后(一般为5～10次)，此后仍不满足用钢指标的，宣告优化失败进入人工干预阶段。

智能后处理模块33即是将诸多零散的计算结果封存起来，用最终的“满足”和“不满足”来做为判断结构安全性的依据。智能后处理模块33的计算书在已有大型有限元计算软件(如PKPM)计算书功能基础上结合钢结构框架结构特点进行特制而成。

智能绘图模块34是将原有大型有限元计算软件(如PKPM)详细出图功能进行粗放化处理，即每个工程只出每层平面和项目的立剖面，出图为粗线图即可，节点图出典型节点而非详图节点，此图纸非安装图而是便于拆图单位二次拆图的设计图纸，每个项目最终出图十余张图纸即可。

现有技术中，设计某钢结构框架结构，常规设计需要20天左右时间，设计出的成品用钢量基本在25公斤每立方到45公斤每立方之间，波动较大，整体用钢量较大，采用此技术，设计仅需两天时间，成品用钢量基本在20公斤每立方到40公斤每立方之间，波动小且用钢量更加经济。工期能节省80％以上工作量，造价一般节省15％以上。

综上所述，本发明实施例的技术方案将钢结构框架先进行体系优化再进行构件截面优化，每个体系进行局部构件截面优化，优化后选择一个最优模型，此最优模型与另一个最优模型进行比较，最终选择一个最优模型。判断最优模型标准一是结构安全，二是体积用钢量最小，达到与脱硝反应器一样的一键优化设计有限元计算，一键出图的效果。

方法实施例

根据本发明实施例，提供了一种钢结构框架结构智能优化方法，用于上述钢结构框架结构智能优化系统，图2是本发明实施例的钢结构框架结构智能优化方法的流程图，41-步骤一人机交互；42--步骤二形成结构模型；43-步骤三结构计算；44-步骤四计算结果综合及提取；45-步骤五安全性及经济性判断；46-智能绘图。如图2所示，根据本发明实施例的钢结构框架结构智能优化方法具体包括：

步骤一(41)，首先进行钢结构框架结构的人机交互参数信息输入。

步骤二(42)，根据步骤41内容，钢结构框架结构自动先形成基于钢结构框架设计规程的体系一结构模型(其后根据后续步骤再逐次形成基于体系二结构模型及体系三结构模型等)。

在结构体系一的结构模型下，钢结构框架结构构件截面根据内嵌计算规则自动形成结构模型的构件截面信息，每个构件截面信息都自动进行参数化处理。

根据步骤41内容，荷载等人机交互参数信息自动赋予到结构模型构件信息上，形成钢结构框架结构初步结构模型(构件截面信息根据后续步骤自动在构件截面库中自动优化调整)。

步骤三(43)，根据步骤41及42内容，钢结构框架结构模型自动进入智能计算模块进行结构计算。

此步骤智能计算模块封装了前处理的系列参数模板，这些参数模板根据步骤41中的人机交互参数信息自动形成计算设计参数。

此步骤智能计算模块封装了材料力学性能计算计算模板及容许应力法和极限状态法两种计算方法的荷载组合公式及相互转化信息。此步骤可根据步骤41中的人机交互信息菜单信息自动形成计算采用的计算方法和材料力学性能指标。

步骤四(44)，进入智能后处理模块，对上述计算结果进行综合，并根据步骤41人机交互预先输入的安全指标和用钢指标对所有钢结构框架结构模型的综合结果进行判断，获取判断结果；

步骤五(45)，当所述判断结果显示安全指标和/或用钢指标不满足时，执行步骤42到步骤45进行迭代优化计算和综合判断，直至判断结果为安全指标和用钢指标均满足时，停止进行迭代，根据工艺参数对比所有体系模式的钢结构框架结构模型的用钢量，输出用钢量最小的钢结构框架结构模型作为最终的建模结果；当所述判断结果显示安全指标和用钢指标均满足时，根据工艺参数对比所有体系模式的钢结构框架结构模型的用钢量，直接输出用钢量最小的钢结构框架结构模型作为最终的建模结果。

在步骤45中，所述迭代的次数为5-10次；在完成所述迭代次数后，如果判断结果显示安全指标和/或用钢指标仍不满足时，提示进行人工干预。

步骤46，在执行了步骤45之后，可以对结构模型做如下处理：基于现有钢结构计算平台，根据所述建模结果进行智能图纸绘制。

以下对本发明实施例的上述技术方案进行详细说明。

在本发明实施例中，每次计算结果可以采用专家用户输入的经验用钢指标作为软件经济性比对的参数，系统根据这个用钢指标判断钢结构框架结构布置方案是否进行迭代优化计算。迭代优化计算满足要求后调用智能绘图模块。

本发明实施例可以一体化优化建模计算和运用系统优化非此程序建模的其它已有模型。

在步骤42中，考虑杆件优化、体系优化在建模阶段的便宜性并留有程序自动迭代的选项参数，可重点考虑杆件优化、支撑设置优化、节点刚铰优化等对用钢结果影响较大的手段，杆件优化可以在PKPM现有基础上根据设立的选用规则进行参数化智能化选用杆件库。

在步骤44中，需要将步骤43诸多零散的计算结果封存起来，用最终的“满足”和“不满足”来做为判断结构安全性的依据。智能后处理模块33的计算书可在已有PKPM计算书功能上针对钢结构框架结构模板化。

当结果显示安全无问题用钢指标不满足时，执行步骤42到步骤45进行模型优化并重新计算并判断结果，直至判断结果即安全又满足用钢指标即宣告优化结束，否则，在迭代计算达到5～10此后仍不满足用钢指标的宣告优化失败进入人工干预阶段。

最后进行出图，在本发明实施例中国，可以将原PKPM详细出图功能粗放化，即每个工程只出每层平面和项目的立剖面，出图为粗线图即可，节点图出典型节点而非详图节点，此图纸非安装图而是便于拆图单位二次拆图的设计图纸，每个项目最终出图十余张图纸即可。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种钢结构框架结构智能优化设计系统，其特征在于，基于现有PKPM、MIDAS大型有限元结构计算软件平台上进行二次开发，所述系统包括智能建模、智能计算、智能后处理、智能绘图四大模块：

智能建模模块，与智能计算模块、智能后处理模块、智能绘图模块连接，用于钢结构框架结构的初始化参数建模；内嵌有框架层构建模板，用于自动辨别主次梁级别并自动进行构建初步截面选取；此钢结构框架结构为开放性框架结构，通过结构层进行整体结构构建；智能建模模块设置诸多参数化菜单，这些菜单通过各种具体参数将钢结构框架梁柱支撑详细构件截面参数化、支座参数化、荷载设置参数化、工程条件参数化；这些参数菜单填毕后，一键生成钢结构框架结构计算模型，此结构模型已在智能建模菜单中内嵌了工程条件信息、荷载信息内容，直接进行结构计算；智能建模模块填写参数后一键形成模型或者手动进行修改编辑；智能建模模块同后续智能计算、智能后处理、智能出图相联结，信息联动；智能建模模块与智能计算、智能后处理模块主要通过构件体系变化、截面变化优化措施进行联动和迭代优化，智能建模模块与智能绘图模块主要通过构件信息等进行联结；

智能计算模块，与所述智能建模模块和智能后处理模块联接，当智能参数化模型结构计算判断结果显示安全指标和用钢指标不满足时，调用所述智能建模模块通过自动体系调整和构件截面调整方法进行模型迭代优化计算，然后再调用所述智能后处理模块进行综合判断，直至所述智能后处理模块的判断结果为安全指标和用钢指标均满足时，停止进行迭代优化计算，最后再对比所有体系模式的钢结构框架结构模型的用钢量，当所述判断结果显示安全指标和用钢指标均满足时，再对比所有体系模式的钢结构框架结构模型的用钢量，直接输出用钢量最小的钢结构框架结构模型作为最终的建模结果并将迭代优化后的构件和体系赋予最终模型；

智能后处理模块，用于对所述智能建模模块的计算结果及优化过程中每一次迭代优化后的模型计算结果进行综合，并根据预先输入的安全指标和用钢指标对所有钢结构框架结构模型的综合结果进行判断，将判断结果输入到智能建模和智能优化计算模块，在安全前提下，根据后处理计算结果，对工程模型中的构件截面进行组合修改后进行自动智能优化计算，最终达到安全前提下工程模型中的各个结构体系下的所有构件截面均达到最优值、使整个工程模型用钢量达到最小的效果；此智能后处理模块根据智能优化计算阶段设置的优化次数进行一次次组合试算，并将最终安全前提下的最优用钢量结果的结构模型数据联动到智能建模模块进行定型，对此定型后的模型进行计算结果输出，此计算结果输出是安全前提下的计算模型计算书；

智能绘图模块，与所述智能建模模块、智能优化计算模块及智能后处理模块连接，用于基于现有钢结构软件计算平台，根据所述计算及后处理结果进行自动定制绘图，对计算结果按单线图形式进行自动绘图和智能拼图并根据参数化内容自动选择节点大样进行施工图纸绘制。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，钢结构框架智能优化设计系统工程类型包含水平钢结构框架和竖直钢结构框架两种工程类型，每种工程类型下还包含有矩形钢结构框架、圆形钢结构框架两种形式；竖向钢结构框架、水平风烟道还可通过手工旋转或角度参数旋转等编辑形式形成倾斜钢结构框架形式。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述钢结构框架智能优化设计系统主要通过安全指标和经济指标进行控制，安全指标包括结构模型整体方面的主要是模型最大位移比、震型、层间位移比、周期比，刚度比，承载力比、剪重比和刚重比，还包括构件层面的应力比、梁挠度、长细比、宽厚比指标，经济指标主要是体积用钢量进行控制，钢结构优化方法主要包括体系优化和杆件截面优化。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述迭代的次数可以根据设计师对项目的精度要求进行参数设置，一般为5-10次；

所述智能优化计算模块进一步用于：在完成所述迭代次数后，如果判断结果显示安全指标或用钢指标仍不满足时，提示进行人工干预。

5.一种钢结构框架结构智能优化方法，其特征在于，用于权利要求1至4中任一项所述的钢结构框架结构智能优化系统，所述方法具体包括：

步骤1，对钢结构框架结构建模及计算进行参数设置，进行钢结构框架工程条件、荷载、体系、分组、构件初始截面等参数设置，一键形成工程结构模型；对优化计算模块进行参数设置，设置钢结构框架结构的优化计算限制条件；

步骤2，对步骤1中建模结果调用软件计算平台进行大型有限元计算程序进行结构计算，获取计算结果并对所述智能建模模块的计算结果进行综合，并根据预先输入的安全指标和用钢指标对所有钢结构框架结构模型的综合结果进行判断，获取判断结果；

步骤3，当所述判断结果显示安全指标和/或用钢指标不满足时，执行步骤1进行构件截面调整或体系调整后再执行步骤2进行迭代优化计算和综合判断，直至判断结果为安全指标和用钢指标均满足时，停止进行迭代，根据计算结果对比所有模型的钢结构框架结构模型的用钢量，输出用钢量最小的钢结构框架结构模型作为最终的建模结果；当所述判断结果显示安全指标和用钢指标均满足时，根据计算结果对比所有计算结果的钢结构框架结构模型的用钢量，直接输出用钢量最小的钢结构框架结构模型作为最终的建模结果；根据步骤1中设置的优化次数，当优化次数超出设置次数仍不能满足安全指标和经济指标要求时，终止优化计算，进行人工干预；当实际优化次数不到设置次数要求而安全指标和经济指标均满足时，可以继续进行优化或提前退出；

步骤4，根据步骤3确定的最终计算模型和计算结果，进行钢结构框架结构的施工图自动绘制，自动绘制包括自动拼图功能；

步骤5，当采用本钢结构框架结构智能优化系统进行钢结构框架结构优化设计完毕后，最终计算模型转化为Sap2000、Midas、Staad.pro软件计算模型进行计算结果对比。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：

智能建模、智能计算、智能后处理、智能绘图四大模块之间相互联结，数据信息相互共享联动。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，智能建模、智能计算、智能后处理、智能绘图四大模块通过参数设置后，构件截面、结构体系等工程信息可随优化设置要求进行自动调整。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，智能计算模块计算采用的是大型有限元计算。

9.根据权利要求5所述的方法，该智能优化设计系统最终模型转化为其它大型有限元计算软件模型。

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