了解基于全应力算法的PKPM-AID如何优化调整体育场钢屋盖

前言

全应力的原则是根据构件的内力逐步调整构件截面，使结构所有构件的应力趋于规定的应力值，然后淘汰截面面积较大的构件小于基准值（低效成员），最终达到目标。 约束下的最优结构形式如图1所示。PKPM-AID是基于全应力原理的智能截面优化模块，特别适合钢结构、大跨度结构、桁架等截面优化结构和网格结构。

图1 全应力算法简介

项目介绍

本项目为体育场馆建筑。 主体育场体育建筑等级为乙级钢结构pkpm截面优化，具备举办地区性和全国性个人比赛的条件。 主体育场总座位数30040个，属中型； 主体结构安全等级​​为一级，屋面钢桁架安全等级为一级； 体育建筑主体结构设计使用年限为50年； 耐火等级为二级，金属屋面钢桁架的耐火等级为二级； 地下室耐火等级为一级； 抗震设防烈度6度； 主建筑屋面防水等级为一级。主体育场看台结构采用钢筋混凝土框架结构； 钢棚结构采用空间钢网+树支撑的悬臂结构。 本案例采用PKPM-AID模块对体育场钢屋顶进行优化。

优化过程

该项目已完成初步设计，但为确保项目能够在预算范围内实施，方案还需进行优化和调整。 通过PKPM-AID，对构件的截面尺寸进行优化，达到降低经济成本的目的。

受建筑功能和前期审批材料的限制，构件调整的原则是在现有周向截面的基础上优化构件的厚度。 同时，考虑到施工的方便性，有些弦杆需要保持截面一致，这可以通过PKPM-AID参数“优化使组内所有杆件的截面相同”来实现。

在选择截面之前，需要将组件添加到设计组中。 简单的理解就是：受力条件相似的构件可以加入到同一个设计组中，需要满足相同截面限制的构件可以加入到同一个设计组中。 同一设计组内的元件优选范围是一致的，并且可以自动或手动合并优选结果。

图2 添加3个设计组

本项目根据构件的受力特点，增加了三个设计组：上弦层、下弦层、腹板层，如图2所示。每个设计组都需要手动添加替代截面。 替代截面可以指定圆周截面不变，通过厚度模量批量添加截面，如图3所示。优化前，每个设计组可以设置不同的优化约束和优化目标。 为了以尽可能低的成本满足优化目标，优化约束应力比/许用值的比值设定为≤85%。 点击开始截面优化后，程序调用PKPM-AID程序开始迭代计算。 优化完成后，返回PKPM界面，组件部分自动更新。

图3 批量添加替代部分

优化结果

各设计组优化前后截面对比如表1所示。优化后，同组截面尺寸趋于最小截面。 优化前后各设计组内构件的应力比变化趋势如表2所示。优化后，各设计组内的应力比变大。 优化后总体成本趋势变化如表3所示。

表1 优化前后部件截面对比

表3 优化前后成本对比

总结

说到全应力，大家可能很自然地想到钢结构，因为只有钢结构才有应力比的概念，混凝土结构没有。 过去，全应力算法主要应用于钢结构、大跨结构、桁架结构等，而PKPM与Arup联合开发的PKPM-AID软件在全应力算法的基础上进行了很大改进，可以处理任何截面类型和任何结构类型钢结构pkpm截面优化，不仅是大跨度钢结构、框架剪力墙结构等。混凝土结构可以使用PKPM-AID软件基于全应力法进行优化。

投稿人丨臧莉 编辑丨王锐