建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中遺傳算法的應用研究

鄭麗

【摘要】我國建筑行業(yè)因為雄厚的國民經(jīng)濟基礎(chǔ)而得到了全面的發(fā)展，與此同時，其也為我國國民經(jīng)濟及城市化進程的進一步發(fā)展做出了卓越的貢獻。但是，在建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計環(huán)節(jié)中，大部分都是按照設(shè)計人員的個人經(jīng)驗作為基礎(chǔ)，導致具體的設(shè)計方案在質(zhì)量上高低不齊，最終帶來了極大的資源浪費問題。為了更好的解決傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計中的復雜問題，遺傳算法得到了大范圍的應用。本文基于遺傳算法的優(yōu)勢，就建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中遺傳算法的具體應用進行了深入的分析，以便為今后建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供相應的參考。

【關(guān)鍵詞】建筑結(jié)構(gòu);優(yōu)化設(shè)計 ?遺傳算法 ?優(yōu)勢 ?應用

一、遺傳算法的優(yōu)勢

（一）智能化特點

在問題解決的過程中，遺傳算法可以在編碼方案、適應度函數(shù)及遺傳算子等信息得以確定之后，很好的使用進化過程中所獲取的信息開展自行的組織搜索工作，因為在自然系統(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，具備較高適應度的個體生存幾率相對較大。在正常情況下，具有較高適應度的個體，在環(huán)境的基因結(jié)構(gòu)適應性上就會有著較高的提升，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)境適應性上將會有著更進一步的提升，遺傳算法這一特點的存在，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)律做出自動的發(fā)掘。遺傳算法的應用將之前的算法設(shè)計過程的需要將問題特點全部進行描述等缺陷進行克服。

（二）直接對結(jié)構(gòu)對象進行操作

使用遺傳算法的過程中，其處理的對象并非是單一化的參數(shù)，而是一個參數(shù)集經(jīng)過編碼工作的個體。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)對象，這里所指的結(jié)構(gòu)對象就是集合、序列等一維、二維及三維結(jié)構(gòu)形式的對象，也正是因為遺傳算法在處理對象上的優(yōu)勢，使其得到了極為廣泛的應用。比如，通過和矩陣進行連接，使得遺傳算法在優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡或者是自動機的結(jié)構(gòu)及參數(shù)中得到了廣泛的應用。除此之外，通過操作任務序列，可以更好的在規(guī)劃中進行應用，此外在順序控制系統(tǒng)的自動構(gòu)造中也有著極為廣泛的應用。

（三）評估搜索空間多個解

在遺傳算法的應用過程中，可以做到同時處理群體中的多個個體，換言之，就是可以同時評估搜索空間之中多個解，較之傳統(tǒng)化的搜索方式，因為其使用的單點性質(zhì)的搜索算法，也就是在部分規(guī)則變動的情況下，使得問題的解可以從搜索空間的一個解轉(zhuǎn)移到另一個解上，但這一搜索方式的最大缺陷就是在面對多峰值分布的搜索空間中的情況下，會經(jīng)常性的局限在單個峰值上的優(yōu)化解上。遺傳算法因為做到了同時處理多個解，并實現(xiàn)多個峰的同步爬行，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)計中的應用

（一）框架設(shè)計中的應用

對于框架結(jié)構(gòu)建筑工程而言，遺傳算法應用在其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的過程中，正常情況下三維性質(zhì)的空間開展分析及計算工作，為了更進一步的簡化計算過程，對于框架結(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)劃分為多個的平面框架開展相應的計算工作，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相應的有所降低。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)，因為節(jié)點處的核心區(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節(jié)點，一般來說，這種建筑結(jié)構(gòu)會被簡化為剛性節(jié)點。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)點及梁柱都是在混凝土澆筑之后得以連接的，正因為使用了這種類型的連接方式，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)點做出相應的結(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)是在預先埋設(shè)的鋼板之下，將安裝梁柱及梁底，隨后開展相應的焊接工作，這種節(jié)點方式因為自身屬于二次安裝，使得結(jié)構(gòu)有著較大的形變可能，在結(jié)構(gòu)受力計算的過程中會將之簡化為剛性連接或者是半剛性連接。

（二）構(gòu)造目標函數(shù)

鋼筋混凝土的建筑框架結(jié)構(gòu)，其主要的受力對象就是混凝土材料及鋼筋，在影響鋼筋混凝土構(gòu)件造價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，因為模板本身就是一個多次使用的消耗品，并且對于造價的實際影響較小，為此在計算中可以適當?shù)倪M行忽略，為此在實際目標函數(shù)構(gòu)造中，只需要考慮對于整體造價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)造目標函數(shù)的過程中，可以做到適當?shù)恼{(diào)整箍筋部分的系數(shù)調(diào)整，并且針對梁柱箍筋進行加密即可。

（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，會經(jīng)常性的遇到部分或者是全部的設(shè)計變量數(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，才可以使得各項數(shù)據(jù)完全滿足相應的工程設(shè)計規(guī)范及技術(shù)標準。但是，這一方式的應用使得得到的結(jié)果需要做出更進一步的可靠性及可行性檢驗工作，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，通過遺傳算法的應用，可以在降低算法運算的次數(shù)上，更好的解決具有應力等約束條件在內(nèi)的離散數(shù)量變量建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題。

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基金項目：《基于稀疏編碼深度學習算法的建筑結(jié)構(gòu)安全檢測》 四川省教育廳項目（編號：17ZB0286）。