CN113761634A - 一种基于多目标优化的建筑结构设计方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于多目标优化的建筑结构设计方法，包括以下步骤：(1)建立建筑结构的Abaqus模型；(2)搭建建筑结构多目标优化设计综合分析平台，调用Abaqus软件得到建筑结构的数值仿真计算结果，以进行进一步的计算；(3)在建筑结构多目标优化设计综合分析平台的Optimization模块中指定优化算法；(4)在建筑结构多目标优化设计综合分析平台的Optimization模块中对包括周期比、层间位移角、轴压比在内的结果设定上下限作为优化计算的约束条件；(5)在建筑结构多目标优化设计综合分析平台中，生成包含上述多目标及其中每个目标的权重比的目标函数；(6)在结构设计软件中进行验证计算。本发明提高了建筑结构优化设计的有效性和可靠性，实现了可无人值守的智能优化设计。
Description
技术领域
本发明涉及建筑结构的设计技术领域，具体地，涉及一种基于多目标优化的建筑结构设计方法。
背景技术
随着我国各种复杂建筑和超高层建筑不断增多和密集，为了响应环保、节材、降低碳排放等社会发展要求，除了现场施工控制外，建筑结构设计工作的重要性日益提高。在满足规范要求的前提下，获得一个受力性能最好、造价最低、用材最少的结构设计方案尤为重要。
建筑结构的设计实质上是以建筑结构的各项指标满足规范、业主的要求以及建筑功能为目标的一项工作，它的变量包括结构的拓扑形态、几何参数、材料参数以及结构方案等，因此建筑结构优化设计实际上是一项多目标多参数的工作。在整体选型、布局下，建筑结构设计的各控制指标间相互耦合，设计参数数量众多且离散化，约束条件和多目标函数较为复杂，且多目标之间一般是相互冲突的，不同的结构体系需满足不同的规范要求，使优化设计问题的求解愈加复杂。
建筑结构设计领域，传统的优化设计方法是基于“试算-验证-修改”模式，计算结构在各种外在荷载作用下的响应，人工对设计进行修改以不断改进提高，同时需保证设计符合各种设计规范或标准的要求。传统优化设计方法有一些常见的弱点：无明确的标准和方法确定设计的最优化、设计的改进依赖于设计者的直觉和经验、反复设计计算会消耗大量时间，可以得到合理的设计方案，但不一定是最优设计方案等。在当前的建筑结构设计中，新型建筑结构体系不断应用，结构构件的种类和数量不断增多，结构的传力路径变得愈发复杂，凭借设计师直觉和经验进行优化设计工作变得愈加困难，未经优化便出图的情况时有发生，导致工程经济性较差，材料的浪费情况严重，不符合当前环保、节材、降低碳排放等社会发展要求。如何安全、合理、经济地优化配置资源是结构设计人员面临的主要问题。因此有必要研究一种新型的、更高效的结构优化设计方法。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于多目标优化的建筑结构设计方法。本发明的设计方法可将传统被动优化设计变为精细化主动寻找相对最优解的过程，以严格明确的方法评价、优化结构方案，获得相对最优的建筑结构设计方案，从而可提高建筑结构优化设计的有效性和可靠性，实现了可无人值守的智能化优化设计。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于多目标优化的建筑结构设计方法，包括以下步骤：
(1)将包括各种相关结构尺寸的建筑结构模型转换为Abaqus可识别的计算输入文件，从而建立建筑结构的Abaqus模型；
(2)基于多目标优化分析软件Isight，搭建建筑结构多目标优化设计综合分析平台；基于建筑结构多目标优化设计综合分析平台，调用Abaqus软件得到建筑结构的数值仿真计算结果；编写多个C#可执行程序，将C#可执行程序集成到建筑结构多目标优化设计综合分析平台的相应计算模块中，实现对从仿真计算结果生成的数据库文件中读取的分析结果进行进一步的计算；
(3)在建筑结构多目标优化设计综合分析平台的Optimization模块中指定优化算法，选择参与进行优化计算的参数，并根据优化计算目的在包括建筑结构的总重量或总造价、建筑结构自振第一周期、建筑结构扭转平动周期比的计算结果中选择一个或多个作为优化目标；
(4)在建筑结构多目标优化设计综合分析平台的Optimization模块中对包括周期比、层间位移角、轴压比的结果设定上下限作为优化计算的约束条件，在建筑结构试验设计多目标优化设计综合分析平台的迭代计算中，自动识别计算中不满足约束条件的计算项，并进行可剔除；
(5)在建筑结构多目标优化设计综合分析平台中，根据优化多目标生成包含上述多目标及其中每个目标的权重比的目标函数，剔除不满足约束条件的计算项后，从剩余的计算项中根据目标函数选择相对最优的计算方案作为设计结果；
(6)在结构设计软件中进行验证计算，各计算指标都满足要求，即可作为最终合理的优化设计方案。
优选的，在所述步骤(1)中，所述建筑结构模型来自建筑结构设计软件YJK、PKPM、Midas或ETABS；当所述建筑结构模型来自建筑结构设计软件PKPM、Midas或ETABS时，通过YJK自带的接口将所述建筑结构模型转换为YJK格式模型，再通过YJKToAbaqus数据转换接口软件进行Abaqus格式的模型转换，获得Abaqus可识别的计算输入文件。
在上述任一方案中优选的是，在所述步骤(2)中，所述建筑结构多目标优化设计综合分析平台调用有限元软件Abaqus对建筑结构进行分析计算，通过多目标优化分析实现建筑结构方案的优化设计。
在上述任一方案中优选的是，在所述步骤(2)中，有限元软件Abaqus的主要计算结果为数据库文件“(.ODB)格式”。
在上述任一方案中优选的是，在所述步骤(2)中，C#可执行程序包括将计算结果的文本文件作为输入，对其中的计算结果通过关键字进行分类并计算，将包括简单的节点、单元应力应变数据的结果计算为反映建筑结构性能的指标，包括层间位移角、模型体积、墙柱轴力的数据，并输出文本文件到计算机指定位置。
本发明的有益效果为：
1.本发明搭建了建筑结构多目标优化设计综合分析平台，集成了优化分析软件、有限元分析软件、多个C#可执行程序和Python脚本程序，可以实现对建筑结构模型进行仿真计算、结果输出、指标计算等，各组件间通过数据映射来传递计算结果；基于多目标优化设计综合分析平台，将建筑结构有限元模型导入到平台中，根据优化目标设定参与优化的参数，之后根据建筑结构的功能和构造要求，确定参数的取值范围，并根据相关设计规范的要求设定约束条件，视设计需求对多个子目标实施最优化分析，实现对建筑结构的多目标优化设计。计算中，各参数在取值范围内的不同组合即对应不同的设计方案，它不需要将多个目标转化为单一目标，因此解决了归一化方法的缺点，得到符合多目标的一个最优解集，加速了计算收敛过程，提高了优化设计的分析效率。
2.通过多目标优化设计综合分析平台，对建筑结构设计中各构件尺寸定义参数，并根据实际情况确定各参数的取值范围，之后设定约束条件和目标函数，通过多次迭代计算，可在满足约束条件的各计算结果中选取相对最优方案作为优化设计方案，实现了上述先进数学算法成果在建筑结构设计领域的应用，将传统被动优化设计变为精细化主动寻找相对最优解的过程，以严格明确的方法评价、优化结构方案，提供直观明确的经济性判断指标，从而可提高建筑结构优化设计的有效性和可靠性，实现了无人值守的智能化优化设计。
具体实施方式
下面将结合本申请的具体实施方式对本申请的技术方案进行详细的说明，但如下实施例仅是用以理解本发明，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，本申请可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1
一种基于多目标优化的建筑结构设计方法，包括以下步骤：
(1)将包括各种相关结构尺寸的建筑结构模型转换为Abaqus可识别的计算输入文件，从而建立建筑结构的Abaqus模型；
(2)基于多目标优化分析软件Isight，搭建建筑结构多目标优化设计综合分析平台；基于建筑结构多目标优化设计综合分析平台，调用Abaqus软件得到建筑结构的数值仿真计算结果；编写多个C#可执行程序，将C#可执行程序集成到建筑结构多目标优化设计综合分析平台的相应计算模块中，实现对从仿真计算结果生成的数据库文件中读取的分析结果进行进一步的计算；
(3)在建筑结构多目标优化设计综合分析平台的Optimization模块中指定优化算法，选择参与进行优化计算的参数，并根据优化计算目的在包括建筑结构的总重量或总造价、建筑结构自振第一周期、建筑结构扭转平动周期比的计算结果中选择一个或多个作为优化目标；
(4)在建筑结构多目标优化设计综合分析平台的Optimization模块中对包括周期比、层间位移角、轴压比的结果设定上下限作为优化计算的约束条件，在建筑结构试验设计多目标优化设计综合分析平台的迭代计算中，自动识别计算中不满足约束条件的计算项，并进行可剔除；
(5)在建筑结构多目标优化设计综合分析平台中，根据优化多目标生成包含上述多目标及其中每个目标的权重比的目标函数，剔除不满足约束条件的计算项后，从剩余的计算项中根据目标函数选择相对最优的计算方案作为设计结果；
(6)在结构设计软件中进行验证计算，各计算指标都满足要求，即可作为最终合理的优化设计方案。
在所述步骤(1)中，所述建筑结构模型来自建筑结构设计软件YJK、PKPM、Midas或ETABS；当所述建筑结构模型来自建筑结构设计软件PKPM、Midas或ETABS时，通过YJK自带的接口将所述建筑结构模型转换为YJK格式模型，再通过YJKToAbaqus数据转换接口软件进行Abaqus格式的模型转换，获得Abaqus可识别的计算输入文件。
在所述步骤(2)中，所述建筑结构多目标优化设计综合分析平台调用有限元软件Abaqus对建筑结构进行分析计算，通过多目标优化分析实现建筑结构方案的优化设计。
在所述步骤(2)中，有限元软件Abaqus的主要计算结果为数据库文件“(.ODB)格式”。
在所述步骤(2)中，C#可执行程序包括将计算结果的文本文件作为输入，对其中的计算结果通过关键字进行分类并计算，将包括简单的节点、单元应力应变数据的结果计算为反映建筑结构性能的指标，包括层间位移角、模型体积、墙柱轴力的数据，并输出文本文件到计算机指定位置。
实施例2
一种基于多目标优化的建筑结构设计方法，包括以下步骤：
(1)将包括各种相关结构尺寸的建筑结构模型转换为Abaqus可识别的计算输入文件，从而建立建筑结构的Abaqus模型；
(2)基于多目标优化分析软件Isight，搭建建筑结构多目标优化设计综合分析平台；基于建筑结构多目标优化设计综合分析平台，调用Abaqus软件得到建筑结构的数值仿真计算结果；编写多个C#可执行程序，将C#可执行程序集成到建筑结构多目标优化设计综合分析平台的相应计算模块中，实现对从仿真计算结果生成的数据库文件中读取的分析结果进行进一步的计算；具体的讲，可将计算结果输出的文本文件作为输入，对其中的结果通过关键字进行分类计算，可将简单的节点、单元的应力应变数据等结果计算为可反映建筑结构性能的指标，如层间位移角、模型体积、墙柱轴力等数据并输出文本文件到计算机指定位置。以上结果进一步地可在Calculator(计算器)模块中进行加减乘除以及取整取绝对值等运算，可得到更加多样的数据结果如自振周期、周期比、梁柱墙板各类构件的体积重量、墙柱轴压比等。
(3)在建筑结构多目标优化设计综合分析平台的Optimization模块中指定优化算法，选择参与进行优化计算的参数，并根据优化计算目的在包括建筑结构的总重量或总造价、建筑结构自振第一周期、建筑结构扭转平动周期比的计算结果中选择一个或多个作为优化目标；
(4)在建筑结构多目标优化设计综合分析平台的Optimization模块中对包括周期比、层间位移角、轴压比的结果设定上下限作为优化计算的约束条件，在建筑结构试验设计多目标优化设计综合分析平台的迭代计算中，自动识别计算中不满足约束条件的计算项，并进行可剔除；
(5)在建筑结构多目标优化设计综合分析平台中，根据优化多目标生成包含上述多目标及其中每个目标的权重比的目标函数，剔除不满足约束条件的计算项后，从剩余的计算项中根据目标函数选择相对最优的计算方案作为设计结果；
(6)在结构设计软件中进行验证计算，各计算指标都满足要求，即可作为最终合理的优化设计方案。
在所述步骤(1)中，所述建筑结构模型来自建筑结构设计软件YJK、PKPM、Midas或ETABS；当所述建筑结构模型来自建筑结构设计软件PKPM、Midas或ETABS时，通过YJK自带的接口将所述建筑结构模型转换为YJK格式模型，再通过YJKToAbaqus数据转换接口软件(奥意数据转换接口软件V1.0(软件著作权2015SR066314))进行Abaqus格式的模型转换，获得Abaqus可识别的计算输入文件。
在所述步骤(2)中，所述建筑结构多目标优化设计综合分析平台调用有限元软件Abaqus对建筑结构进行分析计算，通过多目标优化分析实现建筑结构方案的优化设计。将Abaqus可识别的计算输入文件通过文件配置导入到Modal&Quake模块的Input(输入)标签页，并在Abaqus计算文件中定义参数，根据分析目的的不同，可将文件中的梁、柱、墙、板等构件的截面尺寸或者位置序号定义为输入参数并根据结构功能及构造要求设定合适的取值范围；在Commond(命令)标签页将编辑好的.bat(批处理)命令导入，就可以通过该命令调用Abaqus软件进行计算；在Output标签页中将计算结果中的文本格式结果导入，一般是计算得到的.dat(模型数据)文件，可在该文件中定义各阶自振频率、模型总质量等输出参数。
在所述步骤(2)中，有限元软件Abaqus的主要计算结果为数据库文件“(.ODB)格式”。为提高分析效率，用计算机编程语言自编python格式的脚本程序，具体内容为以指定的Abaqus软件计算结果.ODB文件为输入，脚本程序中设置的选项如应力、应变等不同计算阶段的计算结果为输出，并通过设置输出文件路径，将仿真计算结果的相应内容输出为文本文件并存放到计算机的指定位置，以方便进一步对结果进行分析研究。并将其脚本程序集成到多目标优化设计综合分析平台的Run_py模块中，通过导入编辑好的.bat(批处理)命令调用脚本程序，实现了对Abaqus计算结果的自动读取及文件输出。通过编写调用命令并将脚本程序和C#可执行程序集成到综合分析平台，可以对每一次迭代计算后产生的数据库文件都可以进行相同的数据提取及数据计算，可实现无人值守的自动提取和自动计算，极大提高了计算的准确性和分析效率。
在所述步骤(2)中，C#可执行程序包括将计算结果的文本文件作为输入，对其中的计算结果通过关键字进行分类并计算，将包括简单的节点、单元应力应变数据的结果计算为反映建筑结构性能的指标，包括层间位移角、模型体积、墙柱轴力的数据，并输出文本文件到计算机指定位置。
本发明将多目标优化思想应用于建筑结构设计中，通过应用Isight软件搭建建筑结构多目标优化设计综合分析平台，并将有限元软件Abaqus、自编脚本程序以及可执行程序集成到综合分析平台中，将结构构件尺寸设为参数，设定多个优化目标并根据实际需求调整各目标的权重比，通过创建约束条件来筛选多次迭代计算中的各计算方案，获取多目标下的最优设计方案，并通过在建筑设计软件中的验证计算获得最终的建筑结构优化设计方案。
由上述实施例可知，本发明搭建了建筑结构多目标优化设计综合分析平台，集成了优化分析软件、有限元分析软件、多个C#可执行程序和Python脚本程序，可以实现对建筑结构模型进行仿真计算、结果输出、指标计算等，各组件间通过数据映射来传递计算结果；基于多目标优化设计综合分析平台，将建筑结构有限元模型导入到平台中，根据优化目标设定参与优化的参数，之后根据建筑结构的功能和构造要求，确定参数的取值范围，并根据相关设计规范的要求设定约束条件，视设计需求对多个子目标实施最优化分析，实现对建筑结构的多目标优化设计。计算中，各参数在取值范围内的不同组合即对应不同的设计方案，它不需要将多个目标转化为单一目标，因此解决了归一化方法的缺点，得到符合多目标的一个最优解集，加速了计算收敛过程，提高了优化设计的分析效率。
通过优化设计综合分析平台，对建筑结构设计中各构件尺寸定义参数，并根据实际情况确定各参数的取值范围，之后设定约束条件和目标函数，通过多次迭代计算，可在满足约束条件的各计算结果中选取相对最优方案作为优化设计方案，实现了上述先进数学算法成果在建筑结构设计领域的应用，将传统被动优化设计变为精细化主动寻找相对最优解的过程，以严格明确的方法评价、优化结构方案，提供直观明确的经济性判断指标，从而可提高建筑结构优化设计的有效性和可靠性，实现了无人值守的智能化优化设计。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于多目标优化的建筑结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将包括各种相关结构尺寸的建筑结构模型转换为Abaqus可识别的计算输入文件，从而建立建筑结构的Abaqus模型；
(2)基于多目标优化分析软件Isight，搭建建筑结构多目标优化设计综合分析平台；基于建筑结构多目标优化设计综合分析平台，调用Abaqus软件得到建筑结构的数值仿真计算结果；编写多个C#可执行程序，将C#可执行程序集成到建筑结构多目标优化设计综合分析平台的相应计算模块中，实现对从仿真计算结果生成的数据库文件中读取的分析结果进行进一步的计算；
(3)在建筑结构多目标优化设计综合分析平台的Optimization模块中指定优化算法，选择参与进行优化计算的参数，并根据优化计算目的在包括建筑结构的总重量或总造价、建筑结构自振第一周期、建筑结构扭转平动周期比的计算结果中选择一个或多个作为优化目标；
(4)在建筑结构多目标优化设计综合分析平台的Optimization模块中对包括周期比、层间位移角、轴压比的结果设定上下限作为优化计算的约束条件，在建筑结构试验设计多目标优化设计综合分析平台的迭代计算中，自动识别计算中不满足约束条件的计算项，并进行可剔除；
(5)在建筑结构多目标优化设计综合分析平台中，根据优化多目标生成包含上述多目标及其中每个目标的权重比的目标函数，剔除不满足约束条件的计算项后，从剩余的计算项中根据目标函数选择相对最优的计算方案作为设计结果；
(6)在结构设计软件中进行验证计算，各计算指标都满足要求，即可作为最终合理的优化设计方案。
2.根据权利要求1所述的基于多目标优化的建筑结构设计方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，所述建筑结构模型来自建筑结构设计软件YJK、PKPM、Midas或ETABS；当所述建筑结构模型来自建筑结构设计软件PKPM、Midas或ETABS时，通过YJK自带的接口将所述建筑结构模型转换为YJK格式模型，再通过YJKToAbaqus数据转换接口软件进行Abaqus格式的模型转换，获得Abaqus可识别的计算输入文件。
3.根据权利要求2所述的基于多目标优化的建筑结构设计方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，所述建筑结构多目标优化设计综合分析平台调用有限元软件Abaqus对建筑结构进行分析计算，通过多目标优化分析实现建筑结构方案的优化设计。
4.根据权利要求3所述的基于多目标优化的建筑结构设计方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，有限元软件Abaqus的主要计算结果为数据库文件“(.ODB)格式”。
5.根据权利要求4所述的基于多目标优化的建筑结构设计方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，C#可执行程序包括将计算结果的文本文件作为输入，对其中的计算结果通过关键字进行分类并计算，将包括简单的节点、单元应力应变数据的结果计算为反映建筑结构性能的指标，包括层间位移角、模型体积、墙柱轴力的数据，并输出文本文件到计算机指定位置。
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