建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化及應(yīng)用

前言

　　建筑結(jié)構(gòu)的安全與經(jīng)濟(jì)有時(shí)是一對(duì)矛盾體。隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的不斷完善，房屋建造商越來越重視建筑物的經(jīng)濟(jì)性能，但是安全也是一個(gè)絕對(duì)不能忽視的問題。如何建造出既經(jīng)濟(jì)又安全的房屋，是目前迫切需要解決的問題，用最少的材料或造價(jià)建造出滿足規(guī)范和使用要求的建筑是我們需要努力追求的目標(biāo)。　　結(jié)構(gòu)優(yōu)化的概念古已有之，最早可追溯到19世紀(jì)80年代Maxwell提出的同時(shí)破壞設(shè)計(jì)。20世紀(jì)50年代末，Schmit第一次用數(shù)學(xué)規(guī)劃法求解結(jié)構(gòu)的極值問題，這使得數(shù)學(xué)規(guī)劃開始運(yùn)用于結(jié)構(gòu)優(yōu)化之中，開啟了結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究的新時(shí)代。20世紀(jì)70年代末，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究取得了突破性的進(jìn)展。但優(yōu)化研究的成果在實(shí)際工程中的應(yīng)用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，主要原因在于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的理論研究與實(shí)際工程應(yīng)用嚴(yán)重脫節(jié)，在大學(xué)或研究單位的科研人員偏向于優(yōu)化的理論研究，其成果可能不能滿足規(guī)范和工程習(xí)慣的要求，難以在實(shí)際工程中推廣和應(yīng)用；而在工程應(yīng)用單位的科研人員往往缺少優(yōu)化的基礎(chǔ)理論知識(shí)，他們做得最多的是結(jié)構(gòu)方案的比較和選擇，很難從優(yōu)化理論層面上解決實(shí)際工程問題。本書試圖將優(yōu)化理論與實(shí)際工程應(yīng)用緊密結(jié)合，使優(yōu)化研究成果在實(shí)際工程中發(fā)揮較大的作用，進(jìn)而對(duì)建設(shè)和諧節(jié)約型社會(huì)有所裨益。　　本書共分9章：第1章緒論；第2章結(jié)構(gòu)優(yōu)化準(zhǔn)則法；第3章無約束最優(yōu)化方法；第4章線性規(guī)劃；第5章非線性規(guī)劃；第6章幾何規(guī)劃和動(dòng)態(tài)規(guī)劃；第7章拓?fù)鋬?yōu)化；第8章鋼筋混凝土框架優(yōu)化設(shè)計(jì)；第9章高層建筑結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的優(yōu)化。

內(nèi)容概要

本書介紹了建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本概念，著重介紹了常用的兩大類優(yōu)化方法——工程方法和數(shù)學(xué)方法，最后兩章給出了與實(shí)際工程緊密相關(guān)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化解決方法。本書主要內(nèi)容：結(jié)構(gòu)優(yōu)化準(zhǔn)則法、無約束最優(yōu)化方法、線性及非線性規(guī)劃、幾何規(guī)劃和動(dòng)態(tài)規(guī)劃、拓?fù)鋬?yōu)化、鋼筋混凝土框架優(yōu)化設(shè)計(jì)和高層建筑結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的優(yōu)化。    本書盡可能地將優(yōu)化理論與實(shí)際工程相結(jié)合，通過本書的學(xué)習(xí)，讀者能夠更好地進(jìn)行實(shí)際工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)必須借助計(jì)算機(jī)完成，因此優(yōu)化設(shè)計(jì)的程序必不可少，編者將研究多年完成的空間鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的程序作為本書附錄供讀者參考。    本書可作為高等學(xué)校土木工程專業(yè)高年級(jí)本科生及研究生的教材，也可作為土木工程專業(yè)的工程技術(shù)人員的參考書。

書籍目錄

第1章  緒論  1.1  傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)的區(qū)別    1.1.1  優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本概念    1.1.2  簡(jiǎn)單優(yōu)化算例  1.2  國(guó)內(nèi)外結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究的現(xiàn)狀    1.2.1  國(guó)外研究現(xiàn)狀    1.2.2  國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀  1.3  結(jié)構(gòu)優(yōu)化的層次    1.3.1  尺寸優(yōu)化    1.3.2  形狀優(yōu)化    1.3.3  拓?fù)鋬?yōu)化  1.4  結(jié)構(gòu)優(yōu)化在實(shí)際工程中的應(yīng)用難點(diǎn)    小結(jié)    思考題    習(xí)題第2章  結(jié)構(gòu)優(yōu)化準(zhǔn)則法  2.1  準(zhǔn)則法的概念和特點(diǎn)  2.2  滿應(yīng)力準(zhǔn)則法    2.2.1  應(yīng)力比法    2.2.2  齒行法    2.2.3  帶位移約束的齒行法  2.3  等強(qiáng)設(shè)計(jì)  2.4  分部?jī)?yōu)化    小結(jié)    思考題    習(xí)題第3章  無約束最優(yōu)化方法  3.1  概述    3.1.1  定義    3.1.2  最優(yōu)性條件    3.1.3  迭代方法  3.2  單變量的無約束最優(yōu)化方法    3.2.1  0.618法    3.2.2  拋物線法    3.2.3  牛頓法  3.3  多變量的無約束最優(yōu)化方法    3.3.1  直接搜索法    3.3.2  解析法    小結(jié)    思考題    習(xí)題第4章  線性規(guī)劃  4.1  線性規(guī)劃的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型    4.1.1  定義    4.1.2  線性規(guī)劃的標(biāo)準(zhǔn)模型  4.2  單純形法    4.2.1  圖解法    4.2.2  單純形法的基本原理    4.2.3  大M法    4.2.4  兩階段法  4.3  改進(jìn)單純形法  4.4  線性規(guī)劃的對(duì)偶問題    4.4.1  原問題與對(duì)偶問題    4.4.2  對(duì)偶單純形法    小結(jié)    思考題    習(xí)題第5章  非線性規(guī)劃  5.1  非線性規(guī)劃法的基本概念  5.2  拉格朗日乘數(shù)法    5.2.1  概念    5.2.2  等式約束的極值問題    5.2.3  不等式約束的極值問題  5.3  可行方向法  5.4  復(fù)形法    5.4.1  復(fù)形法的基本思想與特點(diǎn)    5.4.2  復(fù)形法的算法步驟及實(shí)例    5.4.3  復(fù)形法的優(yōu)缺點(diǎn)  5.5  網(wǎng)格法    5.5.1  網(wǎng)格法的基本概念    5.5.2  網(wǎng)格法的計(jì)算步驟  5.6  Kuhn—Tucker最優(yōu)條件  5.7  梯度側(cè)移法    5.7.1  梯度側(cè)移法的概念    5.7.2  線性約束情況    5.7.3  非線性約束情況  5.8  序列線性規(guī)劃    5.8.1  序列線性規(guī)劃的基本原理    5.8.2  序列線性規(guī)劃的幾點(diǎn)改進(jìn)    5.8.3  序列線性規(guī)劃在混凝土梁截面優(yōu)化中的應(yīng)用  5.9  序列無約束優(yōu)化方法    5.9.1  內(nèi)點(diǎn)法    5.9.2  外點(diǎn)法    5.9.3  混合法    小結(jié)    思考題    習(xí)題第6章  幾何規(guī)劃和動(dòng)態(tài)規(guī)劃  6.1  幾何規(guī)劃和動(dòng)態(tài)規(guī)劃的概念    6.1.1  幾何規(guī)劃的基本概念    6.1.2  動(dòng)態(tài)規(guī)劃的基本概念  6.2  幾何規(guī)劃    6.2.1  無約束正定幾何規(guī)劃    6.2.2  有約束正定幾何規(guī)劃  6.3  動(dòng)態(tài)規(guī)劃    6.3.1  動(dòng)態(tài)規(guī)劃的優(yōu)化原則    6.3.2  動(dòng)態(tài)規(guī)劃的實(shí)例應(yīng)用    小結(jié)    思考題    習(xí)題第7章  拓?fù)鋬?yōu)化  7.1  拓?fù)鋬?yōu)化的基本概念  7.2  均勻化方法    7.2.1  均勻化理論    7.2.2  均勻化彈性張量    7.2.3  基于均勻化理論的拓?fù)鋬?yōu)化方法    7.2.4  拓?fù)鋬?yōu)化算例    小結(jié)    思考題第8章  鋼筋混凝土框架優(yōu)化設(shè)計(jì)  8.1  多級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法    8.1.1  概述    8.1.2  多級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的基本思想  8.2  優(yōu)化數(shù)學(xué)模型    8.2.1  目標(biāo)函數(shù)    8.2.2  設(shè)計(jì)變量    8.2.3  常數(shù)參量    8.2.4  約束條件  8.3  鋼筋混凝土框架優(yōu)化設(shè)計(jì)程序介紹    8.3.1  概述    8.3.2  主要技術(shù)路線    8.3.3  程序界面  8.4  實(shí)例應(yīng)用    8.4.1  材料單價(jià)計(jì)算    8.4.2  各種優(yōu)化方法比較    8.4.3  實(shí)際工程應(yīng)用    小結(jié)    思考題第9章  高層建筑結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的優(yōu)化  9.1  高層建筑結(jié)構(gòu)的連續(xù)化模型    9.1.1  基本假設(shè)    9.1.2  結(jié)構(gòu)的總位能  9.2  求解位移場(chǎng)函數(shù)  9.3  求解結(jié)構(gòu)自振周期  9.4  優(yōu)化數(shù)學(xué)模型  9.5  優(yōu)化工程實(shí)例及應(yīng)用效果    小結(jié)    思考題附錄A  鋼筋混凝土框架優(yōu)化軟件程序SFOD  附錄B  讀取STRU.SAT文件的VB源代碼附錄C  讀取LOAD.SAT文件的VB源代碼參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　一個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案是由若干個(gè)參數(shù)來表示的。這些參數(shù)可以是構(gòu)件的截面尺寸、面積、慣性矩、構(gòu)件長(zhǎng)度、節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)等幾何參數(shù)，也可以是材料類型、彈性模量、強(qiáng)度等級(jí)等材料參數(shù)。從結(jié)構(gòu)優(yōu)化的絕對(duì)效果來看，選取的參數(shù)越多，優(yōu)化效果越好，但優(yōu)化的時(shí)間成本也越大，有時(shí)甚至無法優(yōu)化求解。因此對(duì)于這些參數(shù)中的一部分參數(shù)可以根據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)事先給定，它們?cè)趦?yōu)化設(shè)計(jì)過程中始終保持不變，這樣的參數(shù)稱為優(yōu)化設(shè)計(jì)常量或優(yōu)化設(shè)計(jì)常數(shù)；另一部分參數(shù)在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中不斷進(jìn)行修改、調(diào)整，一直處于變化狀態(tài)中，這樣的參數(shù)稱為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量?！　≡诰唧w的優(yōu)化問題中，優(yōu)化設(shè)計(jì)常量和優(yōu)化設(shè)計(jì)變量的選取是非常關(guān)鍵的，如果參數(shù)選取不合理，則優(yōu)化效果會(huì)很差甚至還不如傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。關(guān)于優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，可以是連續(xù)的，也可以是離散的。對(duì)于具體工程問題，離散優(yōu)化設(shè)計(jì)變量較為常見，如構(gòu)件截面尺寸要符合模數(shù)的要求，為了應(yīng)用優(yōu)化理論，可以將這些參數(shù)看成連續(xù)優(yōu)化變量，優(yōu)化結(jié)束時(shí)，再選取最為接近的離散值，有時(shí)也可以直接用離散變量的優(yōu)化方法進(jìn)行優(yōu)化求解。

編輯推薦

　　叢書特點(diǎn)：　　注重以學(xué)生為本：站在學(xué)生的角度、根據(jù)學(xué)生的知識(shí)面和理解能力來編寫，考慮學(xué)生的學(xué)習(xí)認(rèn)知過程，通過不同的工程案例或者示例深入淺出進(jìn)行講解，緊緊抓住學(xué)生專業(yè)學(xué)習(xí)的動(dòng)力點(diǎn)，鍛煉和提高學(xué)生獲取知識(shí)的能力?！　∽⒅厝宋闹R(shí)與科技知識(shí)的結(jié)合：以人文知識(shí)講解的手法來闡述科技知識(shí)，在講解知識(shí)點(diǎn)的同時(shí)，設(shè)置閱讀材料板塊介紹相關(guān)的人文知識(shí)，增強(qiáng)教材的可讀性，同時(shí)提高學(xué)生的人文素質(zhì)。注重實(shí)踐教學(xué)和情景教學(xué)：書中配備大量實(shí)景圖和實(shí)物圖，并輔以示意圖進(jìn)行介紹，通過模型化的教學(xué)案例介紹具體工程實(shí)踐中的相關(guān)知識(shí)技能，強(qiáng)化實(shí)際操作訓(xùn)練，加深對(duì)理論知識(shí)的理解：設(shè)計(jì)有豐富的題型，在鞏固知識(shí)技能的同時(shí)啟發(fā)創(chuàng)新思維?！　∽⒅刂R(shí)技能的實(shí)用性和有效性：以學(xué)生就業(yè)所需專業(yè)知識(shí)和操作技能為著眼點(diǎn)，緊跟最新的技術(shù)發(fā)展和技術(shù)應(yīng)用，在理論知識(shí)夠用的前提下，著重講解應(yīng)用型人才培養(yǎng)所需的技能，突出實(shí)用性和可操作性。

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