建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中遺傳算法的應(yīng)用研究

鄭麗

【摘要】我國建筑行業(yè)因?yàn)樾酆竦膰窠?jīng)濟(jì)基礎(chǔ)而得到了全面的發(fā)展，與此同時(shí)，其也為我國國民經(jīng)濟(jì)及城市化進(jìn)程的進(jìn)一步發(fā)展做出了卓越的貢獻(xiàn)。但是，在建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，大部分都是按照設(shè)計(jì)人員的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)作為基礎(chǔ)，導(dǎo)致具體的設(shè)計(jì)方案在質(zhì)量上高低不齊，最終帶來了極大的資源浪費(fèi)問題。為了更好的解決傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的復(fù)雜問題，遺傳算法得到了大范圍的應(yīng)用。本文基于遺傳算法的優(yōu)勢(shì)，就建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中遺傳算法的具體應(yīng)用進(jìn)行了深入的分析，以便為今后建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的參考。

【關(guān)鍵詞】建筑結(jié)構(gòu);優(yōu)化設(shè)計(jì) ?遺傳算法 ?優(yōu)勢(shì) ?應(yīng)用

一、遺傳算法的優(yōu)勢(shì)

（一）智能化特點(diǎn)

在問題解決的過程中，遺傳算法可以在編碼方案、適應(yīng)度函數(shù)及遺傳算子等信息得以確定之后，很好的使用進(jìn)化過程中所獲取的信息開展自行的組織搜索工作，因?yàn)樵谧匀幌到y(tǒng)基礎(chǔ)下，其選擇策略完全是按照優(yōu)勝劣汰的方式，在這一方式之下，具備較高適應(yīng)度的個(gè)體生存幾率相對(duì)較大。在正常情況下，具有較高適應(yīng)度的個(gè)體，在環(huán)境的基因結(jié)構(gòu)適應(yīng)性上就會(huì)有著較高的提升，隨后，在經(jīng)過基因的重組及突變等操作，誕生出來的后代在環(huán)境適應(yīng)性上將會(huì)有著更進(jìn)一步的提升，遺傳算法這一特點(diǎn)的存在，使得遺傳算法可以更好的從環(huán)境變化基礎(chǔ)出發(fā)，將環(huán)境的特性及規(guī)律做出自動(dòng)的發(fā)掘。遺傳算法的應(yīng)用將之前的算法設(shè)計(jì)過程的需要將問題特點(diǎn)全部進(jìn)行描述等缺陷進(jìn)行克服。

（二）直接對(duì)結(jié)構(gòu)對(duì)象進(jìn)行操作

使用遺傳算法的過程中，其處理的對(duì)象并非是單一化的參數(shù)，而是一個(gè)參數(shù)集經(jīng)過編碼工作的個(gè)體。經(jīng)過這一系列的編碼操作之后，遺傳算法可以更好的直接操作結(jié)構(gòu)對(duì)象，這里所指的結(jié)構(gòu)對(duì)象就是集合、序列等一維、二維及三維結(jié)構(gòu)形式的對(duì)象，也正是因?yàn)檫z傳算法在處理對(duì)象上的優(yōu)勢(shì)，使其得到了極為廣泛的應(yīng)用。比如，通過和矩陣進(jìn)行連接，使得遺傳算法在優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或者是自動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及參數(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。除此之外，通過操作任務(wù)序列，可以更好的在規(guī)劃中進(jìn)行應(yīng)用，此外在順序控制系統(tǒng)的自動(dòng)構(gòu)造中也有著極為廣泛的應(yīng)用。

（三）評(píng)估搜索空間多個(gè)解

在遺傳算法的應(yīng)用過程中，可以做到同時(shí)處理群體中的多個(gè)個(gè)體，換言之，就是可以同時(shí)評(píng)估搜索空間之中多個(gè)解，較之傳統(tǒng)化的搜索方式，因?yàn)槠涫褂玫膯吸c(diǎn)性質(zhì)的搜索算法，也就是在部分規(guī)則變動(dòng)的情況下，使得問題的解可以從搜索空間的一個(gè)解轉(zhuǎn)移到另一個(gè)解上，但這一搜索方式的最大缺陷就是在面對(duì)多峰值分布的搜索空間中的情況下，會(huì)經(jīng)常性的局限在單個(gè)峰值上的優(yōu)化解上。遺傳算法因?yàn)樽龅搅送瑫r(shí)處理多個(gè)解，并實(shí)現(xiàn)多個(gè)峰的同步爬行，使其擁有著十分良好的全局搜索能力，將局限在部分解的可能性降至最低，如此一來，遺傳算法在并行化的可能性上有了較大的提升。

二、遺傳算法在建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

（一）框架設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

對(duì)于框架結(jié)構(gòu)建筑工程而言，遺傳算法應(yīng)用在其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中，正常情況下三維性質(zhì)的空間開展分析及計(jì)算工作，為了更進(jìn)一步的簡化計(jì)算過程，對(duì)于框架結(jié)構(gòu)較為規(guī)則化的建筑，可以將之按照建筑結(jié)構(gòu)做出相應(yīng)的分解，按照水平或者是垂直方向?qū)⒄w的建筑結(jié)構(gòu)劃分為多個(gè)的平面框架開展相應(yīng)的計(jì)算工作，在整體建筑結(jié)構(gòu)簡化完成之后，在結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析上的難度就會(huì)相應(yīng)的有所降低。在這一內(nèi)力分析的過程中，可以從如下的節(jié)點(diǎn)簡化方式出發(fā)開展內(nèi)力分析工作。

第一，現(xiàn)澆性質(zhì)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。這一性質(zhì)的建筑結(jié)構(gòu)，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)處的核心區(qū)域及梁柱部分的混凝土是同步完成澆筑的，這就使得梁柱的縱向受力可以更好的均勻的傳遞給各個(gè)節(jié)點(diǎn)，一般來說，這種建筑結(jié)構(gòu)會(huì)被簡化為剛性節(jié)點(diǎn)。第二，裝配式框架的混凝土澆筑結(jié)構(gòu)，這一類型的建筑結(jié)構(gòu)，其節(jié)點(diǎn)及梁柱都是在混凝土澆筑之后得以連接的，正因?yàn)槭褂昧诉@種類型的連接方式，建筑框架結(jié)構(gòu)的整體性得以提升，也將之視為剛性節(jié)點(diǎn)做出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)受力分析。第三，完全裝配式的建筑框架結(jié)構(gòu)。這一類型的建筑結(jié)構(gòu)是在預(yù)先埋設(shè)的鋼板之下，將安裝梁柱及梁底，隨后開展相應(yīng)的焊接工作，這種節(jié)點(diǎn)方式因?yàn)樽陨韺儆诙伟惭b，使得結(jié)構(gòu)有著較大的形變可能，在結(jié)構(gòu)受力計(jì)算的過程中會(huì)將之簡化為剛性連接或者是半剛性連接。

（二）構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)

鋼筋混凝土的建筑框架結(jié)構(gòu)，其主要的受力對(duì)象就是混凝土材料及鋼筋，在影響鋼筋混凝土構(gòu)件造價(jià)的因素主要包括混凝土材料的使用數(shù)量、縱方向受力筋的長度數(shù)值、模板用量、箍筋部分等方面，因?yàn)槟０灞旧砭褪且粋€(gè)多次使用的消耗品，并且對(duì)于造價(jià)的實(shí)際影響較小，為此在計(jì)算中可以適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行忽略，為此在實(shí)際目標(biāo)函數(shù)構(gòu)造中，只需要考慮對(duì)于整體造價(jià)影響最大的混凝土使用數(shù)量、縱筋和箍筋部分即可。為此，在構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)的過程中，可以做到適當(dāng)?shù)恼{(diào)整箍筋部分的系數(shù)調(diào)整，并且針對(duì)梁柱箍筋進(jìn)行加密即可。

（三）離散變量的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在具體的建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，會(huì)經(jīng)常性的遇到部分或者是全部的設(shè)計(jì)變量數(shù)據(jù)只可以做到取限定的離散數(shù)值的情況。比如，型鋼需要完全符合規(guī)格要求。之前的建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，只有在經(jīng)過數(shù)據(jù)處理工作之后，才可以使得各項(xiàng)數(shù)據(jù)完全滿足相應(yīng)的工程設(shè)計(jì)規(guī)范及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。但是，這一方式的應(yīng)用使得得到的結(jié)果需要做出更進(jìn)一步的可靠性及可行性檢驗(yàn)工作，在這種情況下，得到的離散值可能不具備可行性，又或者是得到的離散值不是最優(yōu)的離散值，通過遺傳算法的應(yīng)用，可以在降低算法運(yùn)算的次數(shù)上，更好的解決具有應(yīng)力等約束條件在內(nèi)的離散數(shù)量變量建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題。

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基金項(xiàng)目：《基于稀疏編碼深度學(xué)習(xí)算法的建筑結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)》 四川省教育廳項(xiàng)目（編號(hào)：17ZB0286）。