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钢筋混凝土结构设计优化
Muhammad Afzal, Yuhan Liu, Jack C.P. Cheng, Vincent J.L. Gan
香港科技大学土木及环境工程学系，香港
关键词：批判性评论、环境可持续性、优化策略、加固优化、钢筋混凝土结构设计
摘 要：建筑设计优化对于最大限度地提高已建设施的可靠性、成本效率和环境可持续性起着重要的作用。随着钢筋混凝土(RC)结构的建设需要大量的钢筋和混凝土，以最小环境影响为目标的钢筋混凝土结构优化设计近年来越来越受到学术界和工业界的关注。如今，新的信息技术和计算技术越来越多地被用于钢筋混凝土结构的可持续设计和优化，以实现能源效率的最大化，但仍缺乏一个批判性的综述，以总结该领域的共同研究主题和突出未来的需求。因此，本文的主要目的是批判性地回顾以往关于RC结构在最小环境影响下的计算设计优化的研究，旨在突出建筑设计优化的现状和未来的发展趋势。首先，介绍了钢筋混凝土结构多学科详细设计优化的一般背景和重要性。在此之后，本文将对现有的研究目标、结构构件、优化策略以及不同计算工具在钢筋混凝土结构设计优化中的应用进行批判性的回顾，以整合结构设计阶段的可持续性。并对不同的研究趋势进行了详细的分析和讨论。提出了进一步量化和评价钢筋混凝土结构详细设计优化实施的潜在研究方向。这篇论文可以帮助学术界和工业界的结构设计从业者，通过考虑钢筋混凝土结构详细设计的多个方面，并将一些计算工具与优化策略相结合，来引入可持续建设的新视野。
1.引言
钢筋混凝土(RC)是一种常用的建筑和民用基础设施的复合材料，钢筋混凝土中嵌入钢筋以抵抗外力。因此，2012年全球钢筋混凝土年产量接近100多亿立方米(Miller等，2016)，消耗了大量的自然资源，对环境产生了相当大的影响(Van Damme,2018)。混凝土和钢筋是构成钢筋混凝土结构总重量的主要成分。因此，在过去的几十年里，人们尝试对不同类型的钢筋混凝土结构和钢筋混凝土构件进行优化，以使混凝土和钢筋的需求最小化。
近年来，在计算优化设计的同时，考虑钢筋混凝土结构环境可持续性的重要因素越来越受到关注。由于这一进展，一些发达国家努力调查制约可持续性增强的关键因素(Ding,2008)。温室气体(GHG)排放和体现的能源是最近考虑的结构设计优化过程。虽然有不同的温室气体减排策略(Sepehri等，2020年)，越来越多的人对计算设计优化更节能的低碳建筑感兴趣(Gan等，2020年)。钢筋混凝土结构的可持续设计优化是从不同的角度进行的，包括建筑材料的选择，室内设置点的选择(最低能耗)(Kofoworola和Gheewala,2008)，结构系统的优化(Gan等，2019b)等。由于补充胶凝材料(SCM)的添加和强度的变化(Gan等，2019a)，普通混凝土的具体CO2排放范围基本上在100到450 kg CO2-e/ m3之间。Harrison等人(2010)用0.13 kg CO2-e/kg表示普通混凝土，用0.24 kg CO2-e/kg表示2%钢筋的额外CO2排放。由于存在较大的差异，之前曾有研究致力于将低层到高层的住宅和商用钢筋混凝土建筑结构的碳排放最小化(Foraboschi et al.，2014;Gan等人，2019a)使用不同的参数化设计策略。这些研究利用计算和参数化设计方法的集成来优化可持续性设计的具体碳排放。梁、柱、地基、楼板、剪力墙、挡土墙等单独的钢筋混凝土结构构件，以及整个钢筋混凝土框架结构，在详细设计阶段针对其环境性能的不同目标进行了优化。最近，人们注意到成本参数与材料消耗优化(Eleftheriadis et al.，2018b)和钢筋混凝土结构的环境性能，提出了各种设计方案，以实现钢筋混凝土建筑和基础设施的可持续设计(Eleftheriadis et al.，2017);可以这样说，在结构详细设计阶段的环境可持续性标准已经引起了极大的兴趣，特别是在早期设计阶段。
钢筋混凝土结构优化设计的关键目标之一是最小化钢筋混凝土结构的总成本(Chutani和Singh,2018;Esfandiary等人，2016)。结构设计师和从业人员被发现对自动优化早期设计和施工阶段极感兴趣，以尽可能少地使用建筑材料。这种利益最终导致了成本效率，因为它代表了建筑、工程和建筑(AEC)行业利益相关者的最大利益。因此，通过减少建筑材料(尤其是钢筋)的用量(Prakash et al.，1988)和相应的成本最小化(kanundaram and Karihaloo,1991b)来优化钢筋混凝土结构的最小重量的研究已经在以前进行过了。与计算工具相结合和集成的框架，以自动最小化钢筋混凝土框架结构中的钢筋材料(Govindaraj和Ramasamy,2007;Mangal和Cheng,2018)已经显示出显著减少材料使用的潜力。Kirsch(1983)也提出了在钢筋混凝土结构详细设计优化过程中尽量减少钢筋总量的全面设想，从而通过减少材料浪费来提高整体成本效率和环境效率。
在结构设计优化过程中，需要考虑的重要参数急剧增加，使得引入自动化系统操作的需求呈指数增长。由于环境效率优化技术在钢筋混凝土结构设计中的广泛应用，目前已有大量的文献综述。例如，Sarma和Adeli(1998)回顾了钢筋混凝土框架结构和单个构件以及其他钢筋混凝土基础设施的成本优化研究。Fragiadakis和Lagaros(2011)对有助于提高抗震设计效率的结构优化框架的备选设计公式进行了审查和比较。此外，Yang等人(2016)简要回顾了元启发式算法在土木工程问题设计优化中的应用。对结构设计优化的现有实践和应用进行了综述研究(Cohn and Dinovitzer,1994)，对结构工程设计优化中新兴的人工智能技术进行了综合评述(Salehi and Burgue no,2018)。关于内嵌式的碳优化(Akbarnezhad和Xiao, 2017)、建筑可持续性(Evins, 2013)、和利用建筑信息模型(BIM)对绿色建筑进行评估(Lu et al.，2017)。虽然之前在钢筋混凝土结构设计优化领域发表了大量的综述，但它们要么侧重于钢筋混凝土结构设计优化的一个特定方面(如内嵌的碳)，要么侧重于解决结构工程问题的特定类型的计算技术。现有的调查没有一个在计算驱动下的钢筋混凝土结构可持续设计的详细设计优化的多方面的综合观点，因为这是这篇综述论文的目的。此外，尽管在最近的研究中有相当大的重要性，优化钢筋混凝土结构的可持续设计(如钢筋的减少)至今还没有批判性的审查。由于钢筋在建筑材料总成本中占有相当大的比例，钢筋配置的详细且更具体的、计算驱动的可持续设计优化引起了研究人员和行业从业者的极大关注。
因此，这篇论文的目的是批判性地回顾现有的关于钢筋混凝土结构的环境效率优化的文献，更多地关注钢筋混凝土结构的自动化详细设计优化。采用整体检索的方法，利用关键词检索数据库中的现有文献，将入选的文献分为四个共同的研究主题。这些研究主题结合了现有研究中使用的多个优化目标，以便对当前的研究现状、未来研究的潜在研究领域和预期的未来研究方向提供更全面的见解。这份文件还按比例提供了迄今已进行的现有有关研究以及目前正在进行的研究的完整情况。可以通过将相关研究材料扩展到一个平台来增强现有评论文章中的信息;例如，将钢筋混凝土结构的成本、材料效率和环境可持续性研究结合起来，形成一份简图综述，可以为相关领域的未来研究提供更多的见解。
这篇综述论文的结构如下。第二部分解释了文献检索的整体方法，并对所收集的文献进行了概述。时间线、地理和通过的区域规范的趋势在第三部分中进行了回顾。第三部分还对钢筋混凝土结构详细设计的优化范围、研究目标的演进、不同优化技术结果的比较以及钢筋混凝土结构详细设计优化中使用的计算工具和方法进行了深入的批判性讨论。第四部分阐述了现有的研究空白和建议的潜在未来研究方向。第五部分对全文进行总结和总结。
2.方法论
本研究采用一种整体的方法来支持从1974年(当发现第一篇相关研究文章时)到2018年的钢筋混凝土结构细部设计优化的文献综述的最新研究的全面综述。图1描述了从数字数据库中进行文献检索和索引、分类过程和统计分析的系统的分步方法。
2.1.文献检索
文献检索方法基于主要文献数据库中如Google Scholar、Scopus、Taylor and Francis、ASCE Library、Willey Online Library、Emerald、Science Direct、Web of Sciences等发表的钢筋混凝土结构详细设计优化领域。用于搜索已发表文章的关键词组合:成本优化、最优设计、最小成本、钢筋加固、内嵌的碳优化、生命周期成本、可持续设计、钢筋混凝土或钢筋混凝土结构，这足以覆盖该领域的大部分文章。
然后通过几轮的搜索和研究文章的分离进行样本收集。通过关键词搜索，获得了450多篇原始研究论文、综述、会议记录、书籍章节和发表的论文。然后根据文档类型对检索到的文章进行分类，并进一步分析，以确定它们是否符合主题内容的包含标准。在内容分析过程中，结果返回了从86种期刊中检索到的348篇研究论文，以供进一步细化和分类。在接下来的一轮中，研究文章被彻底阅读和分析，从而确保所选的文章与本研究的相关范围相关。最后，根据研究目的将选定的文章进行分类，进行进一步的分析。
2.2.分类过程与统计分析
分类过程是这样进行的，即根据所选文章的主要研究目的，将其进一步划分为四个共同的研究主题，如图1所示。
图1：研究方法框架描述了文献与索引、数学与统计分析和研究主题分类的程序步骤。
表1从检索到的348篇研究论文中，对钢筋混凝土结构设计优化领域的研究主题进行了分类，并列出了一些相应的研究论文。
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分类 |
主题 |
主题描述 |
相关文献 |
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C1 |
材料效率 |
对钢筋混凝土结构进行了详细设计优化，主要是尽量减少钢筋和混凝土等建筑材料的用量 |
(Ahmed and Datta, 1984); (Al-Mosawi and Saka, 1999); (Borkowski, 1977); (Mangal and Cheng, 2018); (Yepes et al., 2015a,b); (Kaveh and Talatahari, 2012); (Kaveh and Talatahari, 2010); (Ferreira et al., 2003); (Porwal and Hewage, 2012); (Rajeev and Krishnamoorthy, 1998); (Rafiq and Southcombe, 1998); (Yeh and Chen, 2012); (Nigdeli et al., 2015); (Lee et al., 2009); (Hoseini Vaez and Shahmoradi Qomi, 2018); (Gil-Martiacute;n et al., 2010); (Park et al., 2016); (Sharma and Pandit, 1988) |
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C2 |
材料和成本效率 |
对钢筋混凝土结构进行了详细设计优化，主要是将钢筋、混凝土、模板、人工、材料制造、运输、安装等相关成本降到最低。 |
(Li et al., 2010a); (Li et al., 2010b); (Amir, 2013); (Aldwaik and Adeli, 2014); (Kwak and Kim, 2009); (Moharrami and Grierson, 1993); (Sarma and Adeli, 1998); (Fadaee and Grierson, 1996); (Kaveh and Behnam, 2013); (Lee and Ahn, 2003); (Camp et al., 2003); (Koumousis and Arsenis, 1998); (Akin and Saka, 2015); (Sharafi et al., 2012); (S?anchez-Olivares and Tom?as, 2017); (Paya et al., 2008); (Chutani and Singh, 2017); (Kaveh and Sabzi, 2012b); (Esfandiari et al., 2018a); (Balling and Yao, 1997); (Tomei et al., 2018); (Esfandiari et al., 2018b); (Gholizadeh and Aligholizadeh, 2013); (Govindaraj and Ramasamy, 2007); (Liang et al., 2000); (Shin et al., 2012); (Perera and Varona, 2009); (Prakash et al., 1988); (Coello Coello et al., 1997); (Fedghouche and Tiliouine, 2012); (Cohn and Lounis, 1994); 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料 资料编号：[235346]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word |
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