基于GPU加速技术的超高层建筑结构精细化抗风优化设计方法研究

In areas affected by strong winds, the action of wind loads on super-tall buildings is one of controlling effection in horizontal directions.Wind-resistant optimization methods are developed to minimize the materials consumptions and project costs by adjust sizes of structural members on the premise of ensuring the wind-resistant performance.In our opinion there are some shortcomings in previous work such as the dificient consideration of section type of structural elements or load case of wind effections, and Inefficient operation efficiency of serial program. This proposal will take two super-tall buildings located in Guangzhou, China, the Leatop Plaza and the West Tower as engineering cases, and focus on the key problems including:(1)deducing functions for displacement constraints of non-rectangular sections such as concrete-filled steel tube, Y-section beam, shear wall or core tube;(2)taking the joint probability distribution of wind speed and direction into consideration when analyzing the wind-indueced vibration and equivalent static wind loads during optimization.(3)developing a parallel programming application by making use a GPU acceleration technology, which may decrease the computing time without much costs for computer hardwares. Overall, this research would be helpful for establishing the whole procedure of refined wind-resistant structural optimization of super-tall buidlings.

在强风地区，风荷载是超高层建筑主要水平控制荷载之一，进行超高层建筑抗风优化设计可以在保证结构抗风性能的前提下，通过优化构件截面尺寸，有效降低建材消耗和工程造价。针对过去研究中存在的以简单的假想建筑物为研究对象，对于杆件截面类型、风荷载工况的分析欠精细化以及串行架构的优化计算程序运算速度过慢等问题，本申请项目将密切联系实际工程，以广州地区两座标志性超高层建筑利通广场和西塔为案例，推导超高层建筑中常用的钢管混凝土、型钢混凝土、Y型梁等复合材料线单元杆件和筒体、剪力墙等面单元构件在位移约束条件中的显式表达方法，并在优化迭代过程中的风振响应分析和等效静风荷载计算时考虑风速与风向联合概率分布。另一方面，基于图形处理器（GPU）加速技术编制并行架构的优化设计程序，在硬件成本基本不增加的前提下解决优化运算过程耗时过长的问题，从而建立起基于GPU加速技术的超高层建筑结构精细化抗风优化设计的完整体系。

风荷载是超高层建筑结构设计的主要控制性荷载之一，进行超高层建筑结构的抗风优化设计，可以在保证结构的安全性和舒适度的前提下，有效的降低工程造价，具有重要的理论意义和工程应用价值。本项目开展的主要工作以及所取得的重要成果如下：.1. 对于顶部位移和层间位移约束，以等效静风荷载的形式体现结构的风致振动效应，从而将随机动荷载作用下的结构优化设计问题转换为静力荷载作用下的结构优化设计问题，降低了结构抗风优化设计理论推导和编程实现的难度；对于与舒适度条件相对应的加速度约束条件，在对结构前三阶模态力功率谱特征进行分析的基础上，将加速度约束条件转换为结构固有频率约束条件，进一步利用瑞利商原理将固有频率约束条件表达为结构杆件界面尺寸的显式函数，从而建立起完整的超高层建筑结构抗风优化设计的数学模型和求解体系。.2. 针对超高层建筑结构设计中经常采用的钢管混凝土柱，工字梁、箱型梁、剪力墙等非矩形截面线单元构件和剪力墙（或筒体）等面单元构件，推导了位移约束条件的显式表达方法，从而解决了实际超高层建筑结构优化设计中约束条件显式表达的关键问题，有利于推动相关研究成果的工程应用。.3. 从概率学的角度，运用可靠度理论分析了结构自振频率、阻尼比和设计风速对结构响应的影响，在此基础上开展了考虑参数不确定性的高层建筑结构抗风优化设计方法的研究。推导了当量正态化法(JC法)、映射变化法、蒙特卡洛法和验算点法公式并求解结构的失效概率和可靠度指标的计算公式，同时以服从一定分布的随机变量建立不确定性参数的极限状态方程。通过已知可靠度指标反算结构自振频率限值，从而将结构舒适度问题通过结构自振频率来表示，以位移约束+自振频率约束为约束工况进行抗风优化设计研究。与考虑确定性参数优化结果相比，考虑参数不确定性后获得了更大的优化空间。.本项目是一项综合结构风工程、有限元分析和优化设计理论的综合性研究，其成果可为超高层建筑的抗风设计提供有益参考。