超高层结构基于拓扑和尺寸优化理论的抗风优化设计研究

Recently, most researches on wind-resistant optimization methods for high-rise building would focus on size optimization and not topology optimization. However, topology optimization would generate better structural layout and economic benefits. Meanwhile, size optimization was weak in practical application of structural design. Therefore, the topology optimization method would be studied for wind resistant design of high-rise buildings firstly. Based on HyperWorks, the technical approach would be established. At this stage, this study would try to solve the key problems including: setting up the continuum model of high-rise building, applying the wind load and considering the sensitive constraints. Secondly, the size optimization design would be studied for a variety of initial structural systems and a rich optimization database would be established to solve the practical and operational problems of size optimization design. Finally, the topology optimization technology and size optimization technology would be combined for establishing an effective and highly automated optimization technique by using the software such as HyperWorks, SAP2000 and Matlab. This project would enrich the existing theory of structural topology optimization and wind-resistant optimization method and provide a practicability method of wind-resistant optimization design for structural design of high-rise building.

目前超高层建筑的结构抗风优化设计研究主要集中在尺寸优化，缺乏对拓扑优化设计方法的研究，然而拓扑优化可优化结构杆件的布局，产生更大的经济效益，同时现有尺寸优化方法与结构设计的应用之间还存在技术障碍亟待解决。因此，本申请项目首先重点研究超高层建筑结构的抗风拓扑优化理论分析方法，并基于HyperWorks优化平台建立开展拓扑优化的技术方法，力求解决构建连续体力学模型、施加随机风荷载和考察敏感约束条件等关键技术问题。其次针对多种结构体系进行尺寸优化完备性研究，推导并建立包含轴压比等约束的优化公式数据库，解决尺寸优化设计的实用性和可操作性问题。最后将拓扑优化与尺寸优化技术相结合，通过HyperWorks、SAP2000和Matlab等软件建立自动化程度较高的结构优化设计理论与技术。本项目将取得的研究成果可丰富现有的结构拓扑优化理论和抗风优化设计方法，为超高层结构设计提供高效、实用的抗风优化设计方法。

本项目将高层结构抗风优化设计和结构体系研究相结合，围绕高层结构尺寸优化、拓扑优化和结构体系优化等关键问题，开展以下研究工作：.（1）本项目对抗风优化设计公式和结构材料进行完备性研究，发展了结构抗风性能优化设计技术，提出了高层建筑多体系实用性抗风尺寸优化设计方法。案例研究结果表明，改进后的抗风优化设计方法可为结构体系设计和比选提供有价值的参考。.（2）将高层结构抗风优化设计与抗震优化设计方法进行结合，提出有效的联合优化设计方法，并增加结构构件的轴压比控制，分别针对柱子和剪力墙构件建立轴压比约束函数，以及推导对应的优化问题求解公式。分析结果表明，本项目提出的方法将大大有助于风荷载和地震荷载下的结构设计工作。.（3）采用抗风拓扑优化技术探索高层结构优化设计思路，将结构拓扑优化技术应用于抗风优化领域，通过自动优化平台将风荷载作用于初设连续体有限元模型上，并定义约束条件和进行结构分析，以获得一定重现期风荷载作用下满足拓扑约束条件的结构应力流，为结构初步设计提供参考。案例研究表明，在本项目建立的结构拓扑优化研究框架之下，可获得满足约束要求的、较为合理的材料分布图形。.（4）结合实际工程，开展高层结构抗风优化设计的应用研究。首先从抗风尺寸优化分析理论体系出发，推导了结构风致响应和周期关于构件截面参数和混凝土弹性模量的灵敏度计算公式，为提高结构抗风性能和促进再生混合混凝土等环保材料的应用提供帮助。其次，基于数值风洞分析方法，围绕建筑物拓扑外形、群体效应等方面的问题，进行体型优化和相关参数优化，从而评估工程项目建筑体型变化对风效应产生的影响，促进抗风优化设计技术在实际工程中的应用。.综上所述，本项目所开展的是一项集尺寸优化、拓扑优化、体系优化和数值风洞模拟为一体的综合性研究，所获得的计算方法和相关结论将为高层结构的抗风设计提供有价值的参考。