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建筑结构设计优化的概念

    建筑结构优化设计(optimum design of engineering strueture)是指在满足各种规范或某些特定要求的条件下,使建筑结构的某种指标(如重量、造价、刚度等)为最佳的设计方法。也就是要在所有可用方案和做法中,按某一目标选出最优的方法。

    传统的建筑结构设计方法,是先根据经验通过判断给出或假定一个设计方案和做法, 用工程力学方法进行结构分析,以检验是否满足规范规定的承载力、刚度、稳定、尺寸等方面的要求,如符合要求的即为可用方案,或者经过对少数几个方案和方法进行比较而得出可用方案。而结构优化设计是在很多个,甚至无限多个可用方案和做法中找出最优的方案,即材料最省、造价最低、或某些指标最佳的方案和做法。这样的工程结构设计便由“分析与校核”发展为“综合与优选”。这对提高工程结构的经济效益和功能方面具有重大的实际意义。“综合与优选”实质上也就是建筑结构的优化设计。
    从理沦上讲,按结构设计变量的层次分为:截面尺寸优化设计;结构几何形状的优化设计。结构的拓扑优化设计(如给定一个杆系结构的节点布置,要求确定哪些节点之间应有杆件连接);结构类型优化设计(如将一组荷载传递到支座,可以由梁、析架和拱等不同类型结构进行优选)。随着设计变量层次的升高,所得的优化结构的效果也随之提高, 但优化设计的难度将增大,工作量将增多。
    任何一个建筑结构的设计方案,都可以用若干给定参数和一些设计变量来体现,而设计变量随方案的改变而改变。这些设计变量所组成的维向里可用维空间的一个点来表示, 称为“设计点”。设计规范规定必须满足的条件或其他限制条件称为优化设计的“约束”。满足所有“约束”的设计点称为“可用设计”。代表所有可用设计的那些设计点形成维空间的一个子城,称为“可用城”(又称为可行域)。评比方案优劣的标准(如结构重量、造价等)是设计变量的函数,称为“目标函数”。所谓结构优化设计就是用一些力学和数学的方法,在可用域搜索目标函数最小(或最大)的所谓最优点,也就是最优设计方案。