Можливості реалізації алгоритмічної оптимізації багатоповерхових будівель зі сталевим каркасом

Abstract

UK: У статті наголошується на важливості вибору оптимального вирішення конструктивної схеми багатоповерхових будівель комерційного призначення ще на передпроектній стадії. Вказано на переваги використання сталевих конструкцій у каркасах офісних багатоповерхових будівель, і наведено чинники, які впливають на металоємність. Відмічено, що в Україні успішно розвиваються дослідження із оптимізації металевих конструкцій, але їх практичнее впровадження у проектну практику стримує висока трудомісткість та спеціалізованість задач. Оптимальне конструктивнее рішення каркасу багатоповерхової будівлі слід шукати із урахуванням багатьох факторів та обмежень, що ускладнює розрахунки. Мета досліджень полягає у пошуку оптимальних конструктивних вирішень каркасів офісних будівель висотою до 100м зі сталевим каркасом та центральним ядром жорсткості. Мета досягається шляхом розробки автоматизованої комп’ютерної системи оптимізації на основі об’єднання у єдиний комплекс існуючих придатних комп’ютерних програм. Методика. Основою побудови комплексу є логіко-графічний програмний процесор Grasshopper 3D, який дозволяє створити каркас будівлі із наступним варіюванням геометричних та інших параметрів каркасу. У комплексі також використано ряд з’єднаних між собою існуючих програм: Rhino 3D; SAP2000; Excel та ін. Об’єктом дослідження є офісні будівлі висотою до 100м із розміром в плані 25х25м..50х50м, висотою поверхів 4,2м. Колони розміщені по периметру будівлі. Балки обпираються шарнірно на ядро жорсткості та на колони. Перемінними наразі є крок колон та топологія балкової клітини, а також перерізи сталевих елементів. Результати. Розроблений комплекс здатен у автоматичному режимі перебирати можливі варіанти геометрії каркасу із обрахуванням зусиль, поперечних перерізів, ваги конструкції і видати оптимальний за металоємністю варіант. Поетапно досліджена застосовність комплексу. Наукова новизна. Показана можливість створення на основі існуючих програм проектно-розрахункового комплексу для пошуку оптимального конструктивного рішення сталевого каркасу багатоповерхової офісної будівлі висотою до 100 м. Практична цінність. Винайдення оптимального конструктивного вирішення металевого каркасу на передпроектній стадії дозволяє заощадити значні матеріальні та часові ресурси при зведенні будівель обраного класу.

RU: В статье подчеркивается важность выбора оптимального решения конструктивной схемы многоэтажных зданий коммерческого назначения на предпроектной стадии. Указано на преимущества использования стальных конструкций в каркасах офисных многоэтажных зданий, и приведены факторы, которые влияют на металлоемкость. Отмечено, что в Украине успешно развиваются исследования по оптимизации металлических конструкций, но их практическое внедрение в проектную практику сдерживает высокая трудоемкость и специализированность задач. Оптимальное конструктивное решение каркаса многоэтажного здания следует искать с учетом многих факторов и ограничений, что затрудняет расчеты. Цель исследований заключается в поиске оптимальных конструктивных решений каркасов офисных зданий высотой до 100 м со стальным каркасом и центральным ядром жесткости. Цель достигается путем разработки автоматизированной компьютерной системы оптимизации на основе объединения в единый комплекс существующих пригодных компьютерных программ. Методика. Основой построения комплекса является логико-графический программный процессор Grasshopper 3D, который позволяет создать каркас здания с последующим варьированием геометрических и других параметров каркаса. В комплексе также использован ряд соединенных между собой существующих программ: Rhino 3D; SAP2000; Excel и др. Объектом исследования являются офисные здания высотой до 100 м с размером в плане 25х25м..50х50м, высотой этажей 4,2м. Колонны размещены по периметру здания. Балки опираются шарнирно на ядро жесткости и на колонны. Переменными сейчас является шаг колонн и топология балочной клетки, а также сечения стальных элементов. Результаты. Разработанный комплекс способен в автоматическом режиме перебирать возможные варианты геометрии каркаса с вычислением усилий, поперечных сечений, веса конструкции и выдать оптимальный по металлоемкости вариант. Поэтапно исследована применимость комплекса. Научная новизна. Показана возможность создания на основе существующих программ проектно-расчетного комплекса для поиска оптимального конструктивного решения стального каркаса многоэтажного офисного здания высотой до 100 м. Практическая ценность. Изобретение оптимального конструктивного решения металлического каркаса на предпроектной стадии позволяет сэкономить значительные материальные и временные ресурсы при возведении зданий выбранного класса.

EN: The article describes the importance of choosing the optimal decision of structural scheme of multi-story commercial buildings in the preliminary design stage. The advantages of steel structures usage in the steel frames of multi-story office buildings are specified, as well as factors that cause influence to the total weight of steel frame. It is notable that practical implementation of structural optimization is difficult and not common because of complexity of the real modern projects. The search of optimal design solution of multi-story buildings should taking into account many factors and limitations. The goal of our research is to find optimal solutions for the office buildings structural frames up to 100m with a steel frame and central rigid core. The goal is achieved by developing an automated computer optimization system by combining in a single set all of the suitable existing software. Methods. The basis of the optimization system is a logical and graphical software processor Grasshopper 3D, which lets create a whole building frame with varying geometric and other parameters. The system also uses a number of interconnected existing programs: Rhino 3D; SAP2000; Excel and others. The object of research is the office buildings up to 100m height and has 25x25m..50x50m size in plane. Single level height is fixed 4,2m. Columns are placed around the perimeter of the building. Beams are hinged connected to the rigid core and to the columns. At the current stage of research the variable parameters are the topology and bay size of columns beams, as well as cross-sections of steel elements. Results. Developed system is able to automatically search of optimal frame geometry and topology solutions regarding to recalculation of stresses and cross-sections parameters in a way to find decision with the minimum of total weight of steel. The applicability of system is also investigated thoroughly. Scientific innovation. Research shows possibility to create computer system based on existing design and FEM programs for finding the optimal structural solution of high-rise office building steel frame. The practical importance. Optimal decision finding to the metal frame in early preliminary design stage can save considerable time and material resources.