基于遗传算法和准则法的高层建筑结构优化设计研究
摘要：本文就基于遗传算法和准则法的高层建筑结构优化设计展开详细的分析和深入的探讨，希望对于提高高层建筑物的应用性有所帮助。
关键词：遗传算法；准则法；高层建筑；结构优化；设计方案
一、 建筑结构优化设计的分析
现今，我国国民生活水平有很大程度的提高，对于居住环境也有了新的需求。为了满足人们对住房的各种需求，不断创新和优化建筑是非常重要的，这也成为建筑企业重要的内容之一。而要想建设出功能多、质量高、环境佳的建筑，进行建筑结构优化设计就显得尤为重要，其对建筑物起到决定性作用。对建筑结构设计进行优化，明确其三个层次才能够合理地对其进行优化，保证建筑具有良好的应用效果。建筑结构优化设计的三个层次主要有：
（一） 尺寸优化
建筑结构尺寸优化是对建筑结构中的变量进行调整，促使各种变量达到最佳值，为优化建筑结构设计创造条件。对于建筑结构尺寸变量的优化，通常是应用敏度分析或合适的数学规划方法来完成的。
（二）形状优化
建筑结构形状的设置是有一定要求的，尽量保证其符合几何原理，这样才能够提高建筑结构的坚固性、稳定性和安全性。建筑结构形状优化的目的是最大程度地提高建筑结构的强度和稳固性。为实现这一目的，对其进行优化的具体内容是以结构拓扑为前提，并结合几何相关的资料来分析建筑结构的特性、尺寸，进而确定最优的建筑结构形状。另外，建筑结构形状的优化还可以通过单元刚度矩阵、结构与设计变量之间的非线性关系来计算建筑结构的尺寸，进而对其形状进行调整，以实现建筑结构形状的优化。
（三）拓扑优化
建筑结构拓扑优化的目的是为了实现建筑结构空间设计最优。为了实现这一目的，需要对建筑结构的空间设计进行逻辑变量或整数变量分析，判断其存在的不足，采取针对性的措施对其进行优化和调整，从而实现建筑结构空间结构布局的最优化状态。
二、 基于遗传算法和准则法的高层建筑结构优化设计
在现代化的今天，我国高层建筑的建设越来越普遍，其不仅能够为居民提供舒适的、自由的、轻松的居住环境，还能够节约土地资源。当然，这一情况的实现要以保证高层建筑高质量的建成为前提。高层建筑建设有一定的难度，其中高层建筑结构设计比较难，如若不能够保证建筑结构的稳定性、合理性和坚固性，则很容易影响高层建筑结构的实用性。为此，对高层建筑结构设计进行优化是非常必要的。以下，笔者就基于遗传算法和准则法如何实现高层建筑结构优化进行详细的分析。
（一）框架结构单元优化设计
高层建筑框架是高层建筑结构最基本的组成部分，其好坏直接决定高层建筑能否有效地应用。为了实现高层建筑结构单元优化设计这一目的，应当构建全参数全约束框架梁优化设计的数字模型和全参数全约束框架柱优化设计的数字模型。
1、全参数全约束框架梁优化设计的数字模型
全参数全约束框架梁优化设计的数字模型构建的具体内容为：
首先，确定框架梁的优化设计变量。结合高层建筑结构的相关资料和构件配筋计算结构的合理性要求来确定梁跨内控制截面的尺寸、纵向钢筋、箍筋的优化设计变量。
其次，就高层建筑工程总造价中结构梁方面的总造价进行分析，确定结构梁方面的总造价；再结合梁跨内控制截面的尺寸、纵向钢筋、箍筋的优化设计变量，确定结构梁的目标函数，即为：
最后，依据高层建筑结构的尺寸、强度、刚度等方面的要求，来对高层建筑结构梁的目标函数进行调整，进而得到高层建筑结构梁的数字模型。
2、全参数全约束框架柱优化设计的数字模型
框架柱优化设计的数字模型构建同框架梁的相似，同样是先确定框架柱的优化设计变量，也就是根据结构的分析和构件配筋计算结果来确定最佳的框架柱控制截面的尺寸和配筋的优化设计变量。就高层建筑中结构框架柱高方面所消耗的资金进行计算，确定高层建筑结构框架柱高方面的总造价；再利用框架柱控制截面的尺寸和配筋的优化设计变量，确定框架柱的目标函数，即为：
结合高层建筑建设相关规范性文件中，对结构框架柱的强度、尺寸、纵向钢筋、箍筋以及配筋的要求来优化框架柱的优化函数，进而确定框架柱的数字模型。
（二）建筑结构整体刚度的优化设计
建筑结构整体刚度的优化设计也是非常必要的，其直接决定高层建筑的稳定性和坚固性。为了实现建筑结构整体刚度优化设计，需要构建数学模型，再利用优化准则法对其进行详细的优化。由于高层建筑结构的整体刚度只与构建的截面尺寸有关，所以，要结合侧向位移约束条件，确定梁柱的截面尺寸，再以梁柱的截面尺寸优化变量为依据来构建建筑结构整体刚度的目标函数，即为：
对高层建筑需要承受的各种压力进行分析，进而对建筑结构刚度的目标函数进行优化，得到建筑结构刚度优化设计的数字模型，即为：
针对此数字模型进行分析，选择最为适合的优化准则法来导出优化准则，进而利用递归算法来进行详细的计算，最终得到最优解。
（三）基于遗传算法与准则法的两级混合优化算法
两级混合优化算法就是结合高层建筑结构的特点，将其分为整体刚度优化设计的两个级别，再利用遗传算法和准则法对整体刚度优化设计的两个级别展开详细的分析，最终确定出约束条件下的优化结果。应用遗传算法不需要辅助性的分析和思考，只是以整体刚度优化设计的两个级别进行迭代公式计算，进而求得最佳值。准则法则是就整体刚度优化的两个级别的各种因素进行优化分析，进而得到单元优化结构。所以，同时应用遗传算法和准则法来进行两级混合优化算法能够准确地得到约束条件下的优化结果。
结语：
高层建筑结构设计过程中可能存在某些因素而影响具体的设计，导致设计效果不佳。如果将不准确的设计方案应用到具体施工中，则无法得到高质量的建筑物。针对此种情况，在进行高层建筑结构设计过程中，合理有效地应用遗传算法和准则法能够大大优化具体设计内容，促使高层建筑结构设计方案高质量地完成，其具有较高的使用价值。
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