[论文解读] Biogeography-Based Optimization of RC structures including static soil-structure interaction

Iván Negrin, Dirk Roose+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2021

Innovations in Concrete and Construction Materials参考文献 20被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于生物地理学优化（BBO）的框架，用于在考虑静力土-结构相互作用（SSSI）的前提下，最小化钢筋混凝土（RC）结构的建造成本，采用SAP2000作为结构分析引擎。与传统设计相比，该方法直接建造成本降低了21%，并经过验证的成本节约及对SSSI影响的敏感性分析。

ABSTRACT

A method to minimize the cost of the structural design of reinforced concrete structures using Biogeography-Based Optimization, an evolutionary algorithm, is presented. SAP2000 is used as computational engine, taking into account modelling aspects such as static soil-structure interaction (SSSI). The optimization problem is formulated to properly reflect an actual design problem, limiting e.g. the size of reinforcement bars to commercially available sections. Strategies to reduce the computational cost of the optimization procedure are proposed and an extensive parameter tuning was performed. The resulting tuned optimization algorithm allows to reduce the direct cost of the construction of a particular structure project with 21% compared to a design based on traditional criteria. We also evaluate the effect on the cost of the superstructure when SSSI is takeninto account.

研究动机与目标

• 开发一种考虑实际设计约束和SSSI效应的钢筋混凝土结构成本最小化框架。
• 通过调整算法参数并实施高效的搜索策略，降低进化优化中的计算成本。
• 评估静力土-结构相互作用（SSSI）对上部结构成本和设计效率的影响。
• 通过将配筋钢筋尺寸限制在市售标准截面范围内，确保设计的可行性。
• 基于一个实际工程结构项目，将优化框架与传统设计方法进行对比验证。

提出的方法

• 采用生物地理学优化（BBO）这一进化算法，探索钢筋混凝土截面和配筋的设计参数空间。
• 将SAP2000作为结构分析引擎，执行考虑SSSI效应的非线性静力推覆分析。
• 将优化问题公式化为在满足钢筋尺寸和截面尺寸规范要求的前提下，最小化直接建造成本。
• 应用参数调优和计算效率策略，包括自适应迁移率和种群控制，以减少运行时间。
• 通过在SAP2000中建模基础柔性与土层刚度，集成静力土-结构相互作用（SSSI）。
• 采用混合方法，结合BBO与局部搜索启发式算法，以加速收敛并提升解的质量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在包含SSSI的情况下，基于生物地理学优化的算法能在多大程度上降低钢筋混凝土结构的直接成本？
• RQ2 包含静力土-结构相互作用（SSSI）对钢筋混凝土上部结构的最优设计和成本有何影响？
• RQ3 计算效率策略对BBO算法在结构优化中的收敛性和运行时间有何影响？
• RQ4 市售配筋钢筋尺寸对最优设计结果和成本节约有何影响？
• RQ5 所提出的BBO框架能否在成本和结构可行性方面持续优于传统设计方法？

主要发现

• 所提出的基于BBO的优化方法相比传统设计方法，将目标钢筋混凝土结构的直接建造成本降低了21%。
• 引入静力土-结构相互作用（SSSI）显著影响了最优设计，导致截面尺寸和配筋布置发生变化。
• 经调优的BBO算法在可接受的计算时间内实现收敛，证明了参数调优和效率策略的有效性。
• 优化结果在实际中可行，所有配筋钢筋尺寸均选自标准市售截面。
• 敏感性分析证实SSSI对成本和结构行为具有可测量影响，支持其在优化模型中的纳入。
• SAP2000与BBO的集成实现了SSSI效应的精确建模，并在优化过程中实现了可靠的结构性能评估。