基于ISIGHT的地下室頂板無(wú)梁樓蓋數(shù)值優(yōu)化

付朋輝

【摘要】建筑地下室投資大，單位面積成本較高， 對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠有效的減少投資金額。研究了地下室無(wú)梁樓蓋結(jié)構(gòu)的板厚、柱帽、混凝土含量、鋼筋含量及成本的關(guān)系的變化規(guī)律;采用ISIGHT平臺(tái)集成ABAQUS進(jìn)行數(shù)值優(yōu)化分析，得出的結(jié)論與實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)吻合，優(yōu)化設(shè)計(jì)方法有效、實(shí)用，可供實(shí)際工程參考使用。

【關(guān)鍵詞】無(wú)梁樓蓋;數(shù)值優(yōu)化;ISIGHT

長(zhǎng)期以來(lái)，建筑工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)依靠傳統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，滿足規(guī)范要求即可，無(wú)法滿足業(yè)主對(duì)成本控制越來(lái)越嚴(yán)格的要求。在實(shí)際項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)周期較短，依靠傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法往往無(wú)法得出最優(yōu)方案，而結(jié)構(gòu)數(shù)值優(yōu)化技術(shù)使得到最有方案提供了可能。本文運(yùn)用ABAQUS軟件建立無(wú)梁樓蓋有限元模型，以優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件ISIGHT為平臺(tái)集成 ABAQUS軟件，對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行DOE分析，提取設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后方案比原方案節(jié)省了約26%的材料成本。

1、計(jì)算條件

以某工程地下室為例，布置及柱帽尺寸如圖1所示，跨度8.1mx8.1m，覆土1.2m，活荷載4kN/m2，柱截面500mmx500mm，板厚thick=400mm，第一階柱帽厚度thick1=300mm，柱帽總高度1000mm，柱帽寬度尺寸x1=750mm，x2=300mm。

2、優(yōu)化模型建立

2.1優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

2.1.1 設(shè)計(jì)變量

以單位面積材料成本（price）最低為優(yōu)化目標(biāo)，在跨度、柱帽總高度及荷載給定的情況下，總成本取決于板厚及柱帽尺寸。

根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)選取以下設(shè)計(jì)變量：thick為樓板厚度;thick1為第一階柱帽高度;x1，x2為柱帽水平尺寸參數(shù)。

2.1.2 目標(biāo)函數(shù)

根據(jù)柱帽各控制點(diǎn)彎矩及板厚及柱帽尺寸建立與鋼筋含量（steel）、混凝土含量（concrete）、材料成本（price）的關(guān)系。

2.1.3 約束條件

配筋率滿足規(guī)范要求，抗沖切滿足規(guī)范要求。根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況，設(shè)計(jì)變量也給出約束：thick≥200mm;x1+x2≤4050mm。

2.2無(wú)梁樓蓋有限元模型建立

采用ABAQUS軟件，用inp輸入文件建立模型，并為各個(gè)尺寸參數(shù)賦初值。模型采用S4R單元，單元尺寸均為100x100左右，四周施加對(duì)稱荷載。

3、ISIGHT集成ABAQUS的優(yōu)化

3.1優(yōu)化過(guò)程

首先，利用ABAQUS對(duì)無(wú)梁樓蓋進(jìn)行有受力分析，并提取各控制點(diǎn)彎矩。然后根據(jù)彎矩及尺寸參數(shù)計(jì)算成本（price）、鋼筋含量（steel）、混凝土含量（concrete）。最后采用ISIGHT軟件中pointer優(yōu)化器進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化目標(biāo)為材料成本（price）最低。

3.2優(yōu)化結(jié)果

目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化進(jìn)程見(jiàn)圖2。由優(yōu)化結(jié)果可知，對(duì)目標(biāo)函數(shù)price影響影響程度排序如下：thick、x1、thick2、x2，見(jiàn)圖3。

優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1，優(yōu)化后材料成本降低約26.68%，有較大的經(jīng)濟(jì)效益。

根據(jù)優(yōu)化過(guò)程及結(jié)論，可知板厚對(duì)成本起決定作用，板厚越小混凝土及鋼筋用量越小，柱帽尺寸越大材料成本越低。初始值板厚取400mm，柱帽總尺寸為2400mmx2400mm，優(yōu)化后板厚200mm，柱帽總尺寸為4000mmx4000mm。優(yōu)化后混凝土含量減少38.6%，鋼筋用量減少12.7%。

需要指出的是，無(wú)梁樓蓋結(jié)構(gòu)冗余度較低，當(dāng)一跨破壞時(shí)會(huì)引起連續(xù)倒塌。加之溫度應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)抗沖切能力削弱，頂板荷載超載等不利因素，無(wú)梁樓蓋板厚不宜取過(guò)薄。

結(jié)論：

通過(guò)ISIGHT優(yōu)化平臺(tái)，集成ABAQUS，對(duì)無(wú)梁樓蓋進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后材料成本可節(jié)省26.68%。結(jié)果表明，應(yīng)用ISIGHT集成ABAQUS仿真優(yōu)化技術(shù)，用于建筑工程可有效的減少投資金額，可以為結(jié)構(gòu)工程師的設(shè)計(jì)工作提供參考。

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