基于ISIGHT的地下室頂板無梁樓蓋數值優化

付朋輝

【摘要】建筑地下室投資大，單位面積成本較高， 對其進行優化設計能夠有效的減少投資金額。研究了地下室無梁樓蓋結構的板厚、柱帽、混凝土含量、鋼筋含量及成本的關系的變化規律;采用ISIGHT平臺集成ABAQUS進行數值優化分析，得出的結論與實際工程經驗吻合，優化設計方法有效、實用，可供實際工程參考使用。

【關鍵詞】無梁樓蓋;數值優化;ISIGHT

長期以來，建筑工程結構的設計依靠傳統設計經驗，滿足規范要求即可，無法滿足業主對成本控制越來越嚴格的要求。在實際項目中，設計周期較短，依靠傳統設計方法往往無法得出最優方案，而結構數值優化技術使得到最有方案提供了可能。本文運用ABAQUS軟件建立無梁樓蓋有限元模型，以優化設計軟件ISIGHT為平臺集成 ABAQUS軟件，對模型參數進行DOE分析，提取設計變量進行優化。優化后方案比原方案節省了約26%的材料成本。

1、計算條件

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、優化模型建立

2.1優化數學模型

2.1.1 設計變量

以單位面積材料成本（price）最低為優化目標，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。

根據優化目標選取以下設計變量：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。

2.1.2 目標函數

根據柱帽各控制點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）的關系。

2.1.3 約束條件

配筋率滿足規范要求，抗沖切滿足規范要求。根據項目實際情況，設計變量也給出約束：thick≥200mm;x1+x2≤4050mm。

2.2無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，并為各個尺寸參數賦初值。模型采用S4R單元，單元尺寸均為100x100左右，四周施加對稱荷載。

3、ISIGHT集成ABAQUS的優化

3.1優化過程

首先，利用ABAQUS對無梁樓蓋進行有受力分析，并提取各控制點彎矩。然后根據彎矩及尺寸參數計算成本（price）、鋼筋含量（steel）、混凝土含量（concrete）。最后采用ISIGHT軟件中pointer優化器進行優化，優化目標為材料成本（price）最低。

3.2優化結果

目標函數優化進程見圖2。由優化結果可知，對目標函數price影響影響程度排序如下：thick、x1、thick2、x2，見圖3。

優化前后參數對比見表1，優化后材料成本降低約26.68%，有較大的經濟效益。

根據優化過程及結論，可知板厚對成本起決定作用，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，優化后板厚200mm，柱帽總尺寸為4000mmx4000mm。優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，無梁樓蓋結構冗余度較低，當一跨破壞時會引起連續倒塌。加之溫度應力對結構抗沖切能力削弱，頂板荷載超載等不利因素，無梁樓蓋板厚不宜取過薄。

結論：

通過ISIGHT優化平臺，集成ABAQUS，對無梁樓蓋進行優化，優化后材料成本可節省26.68%。結果表明，應用ISIGHT集成ABAQUS仿真優化技術，用于建筑工程可有效的減少投資金額，可以為結構工程師的設計工作提供參考。

參考文獻：

[1]朱小龍，于蘭峰，郭俊材，等.基于ANSYS和ISIGHT的橋式起重機主梁結構輕量化設計[J].礦山機械，2012（12）：52-55.

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