建筑結構優(yōu)化及應用

前言

　　建筑結構的安全與經濟有時是一對矛盾體。隨著市場經濟的不斷完善，房屋建造商越來越重視建筑物的經濟性能，但是安全也是一個絕對不能忽視的問題。如何建造出既經濟又安全的房屋，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?！　〗Y構優(yōu)化的概念古已有之，最早可追溯到19世紀80年代Maxwell提出的同時破壞設計。20世紀50年代末，Schmit第一次用數(shù)學規(guī)劃法求解結構的極值問題，這使得數(shù)學規(guī)劃開始運用于結構優(yōu)化之中，開啟了結構優(yōu)化研究的新時代。20世紀70年代末，隨著計算機技術的發(fā)展，結構優(yōu)化研究取得了突破性的進展。但優(yōu)化研究的成果在實際工程中的應用還遠遠不夠，主要原因在于結構優(yōu)化的理論研究與實際工程應用嚴重脫節(jié)，在大學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)范和工程習慣的要求，難以在實際工程中推廣和應用；而在工程應用單位的科研人員往往缺少優(yōu)化的基礎理論知識，他們做得最多的是結構方案的比較和選擇，很難從優(yōu)化理論層面上解決實際工程問題。本書試圖將優(yōu)化理論與實際工程應用緊密結合，使優(yōu)化研究成果在實際工程中發(fā)揮較大的作用，進而對建設和諧節(jié)約型社會有所裨益。　　本書共分9章：第1章緒論；第2章結構優(yōu)化準則法；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)劃和動態(tài)規(guī)劃；第7章拓撲優(yōu)化；第8章鋼筋混凝土框架優(yōu)化設計；第9章高層建筑結構抗側剛度的優(yōu)化。

內容概要

本書介紹了建筑結構優(yōu)化設計的基本概念，著重介紹了常用的兩大類優(yōu)化方法——工程方法和數(shù)學方法，最后兩章給出了與實際工程緊密相關的結構優(yōu)化解決方法。本書主要內容：結構優(yōu)化準則法、無約束最優(yōu)化方法、線性及非線性規(guī)劃、幾何規(guī)劃和動態(tài)規(guī)劃、拓撲優(yōu)化、鋼筋混凝土框架優(yōu)化設計和高層建筑結構抗側剛度的優(yōu)化。    本書盡可能地將優(yōu)化理論與實際工程相結合，通過本書的學習，讀者能夠更好地進行實際工程的優(yōu)化設計。優(yōu)化設計必須借助計算機完成，因此優(yōu)化設計的程序必不可少，編者將研究多年完成的空間鋼筋混凝土框架結構優(yōu)化設計的程序作為本書附錄供讀者參考。    本書可作為高等學校土木工程專業(yè)高年級本科生及研究生的教材，也可作為土木工程專業(yè)的工程技術人員的參考書。

書籍目錄

第1章  緒論  1.1  傳統(tǒng)設計與優(yōu)化設計的區(qū)別    1.1.1  優(yōu)化設計的基本概念    1.1.2  簡單優(yōu)化算例  1.2  國內外結構優(yōu)化設計研究的現(xiàn)狀    1.2.1  國外研究現(xiàn)狀    1.2.2  國內研究現(xiàn)狀  1.3  結構優(yōu)化的層次    1.3.1  尺寸優(yōu)化    1.3.2  形狀優(yōu)化    1.3.3  拓撲優(yōu)化  1.4  結構優(yōu)化在實際工程中的應用難點    小結    思考題    習題第2章  結構優(yōu)化準則法  2.1  準則法的概念和特點  2.2  滿應力準則法    2.2.1  應力比法    2.2.2  齒行法    2.2.3  帶位移約束的齒行法  2.3  等強設計  2.4  分部優(yōu)化    小結    思考題    習題第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    思考題    習題第4章  線性規(guī)劃  4.1  線性規(guī)劃的標準數(shù)學模型    4.1.1  定義    4.1.2  線性規(guī)劃的標準模型  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  改進單純形法  4.4  線性規(guī)劃的對偶問題    4.4.1  原問題與對偶問題    4.4.2  對偶單純形法    小結    思考題    習題第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  復形法    5.4.1  復形法的基本思想與特點    5.4.2  復形法的算法步驟及實例    5.4.3  復形法的優(yōu)缺點  5.5  網格法    5.5.1  網格法的基本概念    5.5.2  網格法的計算步驟  5.6  Kuhn—Tucker最優(yōu)條件  5.7  梯度側移法    5.7.1  梯度側移法的概念    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)劃的幾點改進    5.8.3  序列線性規(guī)劃在混凝土梁截面優(yōu)化中的應用  5.9  序列無約束優(yōu)化方法    5.9.1  內點法    5.9.2  外點法    5.9.3  混合法    小結    思考題    習題第6章  幾何規(guī)劃和動態(tài)規(guī)劃  6.1  幾何規(guī)劃和動態(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  動態(tài)規(guī)劃    6.3.1  動態(tài)規(guī)劃的優(yōu)化原則    6.3.2  動態(tài)規(guī)劃的實例應用    小結    思考題    習題第7章  拓撲優(yōu)化  7.1  拓撲優(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撲優(yōu)化方法    7.2.4  拓撲優(yōu)化算例    小結    思考題第8章  鋼筋混凝土框架優(yōu)化設計  8.1  多級優(yōu)化設計方法    8.1.1  概述    8.1.2  多級優(yōu)化設計方法的基本思想  8.2  優(yōu)化數(shù)學模型    8.2.1  目標函數(shù)    8.2.2  設計變量    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)化設計程序介紹    8.3.1  概述    8.3.2  主要技術路線    8.3.3  程序界面  8.4  實例應用    8.4.1  材料單價計算    8.4.2  各種優(yōu)化方法比較    8.4.3  實際工程應用    小結    思考題第9章  高層建筑結構抗側剛度的優(yōu)化  9.1  高層建筑結構的連續(xù)化模型    9.1.1  基本假設    9.1.2  結構的總位能  9.2  求解位移場函數(shù)  9.3  求解結構自振周期  9.4  優(yōu)化數(shù)學模型  9.5  優(yōu)化工程實例及應用效果    小結    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

章節(jié)摘錄

　　一個結構設計方案是由若干個參數(shù)來表示的。這些參數(shù)可以是構件的截面尺寸、面積、慣性矩、構件長度、節(jié)點坐標等幾何參數(shù)，也可以是材料類型、彈性模量、強度等級等材料參數(shù)。從結構優(yōu)化的絕對效果來看，選取的參數(shù)越多，優(yōu)化效果越好，但優(yōu)化的時間成本也越大，有時甚至無法優(yōu)化求解。因此對于這些參數(shù)中的一部分參數(shù)可以根據已有的經驗事先給定，它們在優(yōu)化設計過程中始終保持不變，這樣的參數(shù)稱為優(yōu)化設計常量或優(yōu)化設計常數(shù)；另一部分參數(shù)在優(yōu)化設計過程中不斷進行修改、調整，一直處于變化狀態(tài)中，這樣的參數(shù)稱為優(yōu)化設計變量?！　≡诰唧w的優(yōu)化問題中，優(yōu)化設計常量和優(yōu)化設計變量的選取是非常關鍵的，如果參數(shù)選取不合理，則優(yōu)化效果會很差甚至還不如傳統(tǒng)的結構設計。關于優(yōu)化設計變量，可以是連續(xù)的，也可以是離散的。對于具體工程問題，離散優(yōu)化設計變量較為常見，如構件截面尺寸要符合模數(shù)的要求，為了應用優(yōu)化理論，可以將這些參數(shù)看成連續(xù)優(yōu)化變量，優(yōu)化結束時，再選取最為接近的離散值，有時也可以直接用離散變量的優(yōu)化方法進行優(yōu)化求解。

編輯推薦

　　叢書特點：　　注重以學生為本：站在學生的角度、根據學生的知識面和理解能力來編寫，考慮學生的學習認知過程，通過不同的工程案例或者示例深入淺出進行講解，緊緊抓住學生專業(yè)學習的動力點，鍛煉和提高學生獲取知識的能力?！　∽⒅厝宋闹R與科技知識的結合：以人文知識講解的手法來闡述科技知識，在講解知識點的同時，設置閱讀材料板塊介紹相關的人文知識，增強教材的可讀性，同時提高學生的人文素質。注重實踐教學和情景教學：書中配備大量實景圖和實物圖，并輔以示意圖進行介紹，通過模型化的教學案例介紹具體工程實踐中的相關知識技能，強化實際操作訓練，加深對理論知識的理解：設計有豐富的題型，在鞏固知識技能的同時啟發(fā)創(chuàng)新思維。　　注重知識技能的實用性和有效性：以學生就業(yè)所需專業(yè)知識和操作技能為著眼點，緊跟最新的技術發(fā)展和技術應用，在理論知識夠用的前提下，著重講解應用型人才培養(yǎng)所需的技能，突出實用性和可操作性。

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