综合考虑标准化和结构性能的钢基微米碳纤维（MiC）结构一体化优化设计

《Structures》：Integrated optimization design of steel MiC structures considering both standardization and structural performance

模块化集成建筑设计方法研究，提出系统化标准化方案与混合智能遗传算法优化设计，验证了12层矩形及L形MiC结构的结构性能与标准化效益。

　　

王立强|刘杰鹏|陈杰|齐洪拓|李江|徐航|夏毅

重庆大学土木工程学院，中国重庆400045

摘要

由于施工效率高和质量好，钢结构模块化集成建筑（MiC）结构已被广泛使用并受到设计师的青睐。然而，除了MiC结构本身的性能和经济性之外，模块化标准化、自动化和工业制造也是设计过程中需要考虑的重要方面。本文提出了一种综合考虑标准化和结构性能的钢结构MiC结构的集成自动化设计方法。该方法提出了一种系统的标准化方案，以确保模块单元和组件的统一性。此外，采用基于混合智能遗传算法的智能优化设计方法，可以指定标准模块单元和组件类型的数量来优化MiC结构。文章还讨论了深度神经网络（DNN）对MiC结构优化和设计标准化的影响。通过对一个12层矩形MiC结构和一个L形MiC结构的研究，验证了所提出方法的有效性。

引言

与传统现场建造的建筑相比，模块化集成建筑（MiC）是在工厂预制后现场组装的[1]，这可以显著提高质量并减少材料浪费[2]、[3]。然而，MiC建筑的设计需要高度的集成和自动化过程，以充分利用这种技术和建筑形式的优势。在MiC建筑的集成自动化设计过程中，可以考虑多个方面，如建筑平面设计[4]、碳排放[5]、模块化运输[6]和吊装规划[7]。

随着MiC技术的进步和普及，MiC结构已应用于从低层建筑到高层建筑的各种场合。针对不同方面，已经提出了多种MiC建筑设计方法。首先，结构设计是确保MiC结构安全的重要方面。连接方式显著影响MiC结构的性能，从而提高其抗侧向荷载能力和抗震性能。已经开发了创新的模块间连接系统，包括模块-核心墙配置[8]、螺栓盖板系统[9]和灌浆套筒连接[10]、[11]。为了量化连接参数对MiC结构性能的影响，研究人员确定了影响模块间连接行为的关键因素，包括连接板厚度和螺栓布置等几何参数，以及界面摩擦和预载力等机械性能[12]、[13]、[14]、[15]。此外，由于MiC结构的独特结构类型，还研究了其渐进性倒塌问题[16]、[17]。

其次，MiC建筑的建筑设计也是一个重要方面。Lin等人[18]提出了ModulePacking方法来生成平面图的模块单元布局，以降低存储和生产成本。Ansah等人[19]提出了一种基于BIM的生命周期评估方法，以减少MiC建筑的能源和环境影响。基于智能的方法[19]、[20]、[21]、[22]、[23]已被用于生成布局计划。第三，由于MiC单元需要运输到现场安装，详细的施工和运输设计可以提高效率并减少损失。Godbole等人[24]、[25]量化了运输加速度的影响，并计算了MiC内部组件的所需强度。考虑到施工过程，Song等人[26]设计了一种姿态调整机器人以提高组装效率并降低劳动力成本，而Zhu等人[27]提出了一种高效安全的高层模块建筑吊装路径规划方法。

鉴于MiC建筑独特且多样的设计考虑因素，综合考虑这些因素的MiC集成自动化设计是一项具有挑战性的任务。这需要平衡模块化的固有优势（如标准化、施工效率和可持续性）与大规模和复杂设计所带来的安全性能和成本问题。Mawra等人[28]提出了一个综合评估框架，同时考虑了MiC建筑的经济、环境和社会方面。为了解决高层MiC建筑的可持续性和结构刚度问题，Munmulla等人[29]提出了一种可持续的设计方法。由于MiC建筑设计需要考虑多个方面，因此手动获得具有增强和优化性能的设计是一项具有挑战性的任务。为了提高设计效率和自动化水平，已经提出了多种基于优化和学习的方法。例如，提出了基于启发式的优化设计方法来减轻结构重量[30]、[31]、[32]、[33]，降低施工成本和时间[34]、[35]，以及生命周期成本[37]。此外，为了获得平衡多个设计目标的设计，还提出了多目标优化方法[38]、[39]。通常，在优化设计过程中会进行迭代结构评估。为了降低计算成本和提高优化效率，提出了基于深度神经网络（DNN）的增强设计方法，并将其集成到优化设计过程中。例如，Xing等人[40]提出了一个DNN模型来评估高层建筑的结构性能，如位移和抗震响应。在[41]中提出了一种基于DNN和群体智能的方法，有效解决了优化和逆向设计问题。

与其他建筑类型相比，模块单元和组件的标准化是MiC建筑的关键特征，这与工业制造和运输等过程相一致。MiC建筑的标准化可以分为两个主要方面：1）模块单元标准化指的是模块类型、组成和尺寸的统一性，它在确定运输[42]、[43]和施工[44]所使用的设备方面起着关键作用。2）组件标准化表示组件尺寸、截面尺寸和截面类型的统一性，这会影响结构性能和材料采购。通过考虑组件标准化，可以减少预制组件的种类和数量，从而提高场外制造和现场组装的效率[45]。

在钢结构MiC建筑设计中，整合标准化和结构性能是整体MiC建筑性能的关键方面。此外，组件和模块单元的自动化设计也会影响生产和施工成本。目前，标准模块单元的设计很大程度上依赖于设计师的经验，并且涉及耗时的试错过程，缺乏效率和自动化。为了研究标准模块单元的影响，Sharafi等人[46]提出了一种统一矩阵方法，用于研究多层MiC建筑中标准模块单元的空间布置，以提高平面图的规则性。由于标准化单元共同构成了完整的MiC结构，它们的配置直接影响结构性能。这种标准化和结构性能的整合至关重要，因为标准化可以在制造和施工中实现规模经济，而优化的MiC结构方案可以最小化材料使用并提高结构安全性。然而，据我们所知，目前还缺乏全面解决这些相互关联方面的自动化设计方法。

理想情况下，应该有一种集成自动化的优化方法，能够在确保MiC结构结构安全的同时自动确定优化的模块单元配置。本文提出了一种综合考虑结构性能和标准化方面的集成自动化优化方法。该方法提出了一种系统的标准化方案，以确保模块单元和组件的统一性。随后，提出了一个针对MiC结构的自动化结构建模程序，并可以评估相应的结构性能。接下来，提出了一种基于混合智能遗传算法（HIGA）的智能优化设计方法。根据该方法，可以优化合适的组件并自动获得相应的标准化模块单元。此外，还基于该方法研究了模块化对MiC设计的影响。

本文的其余部分安排如下：第2节详细介绍了所提出的集成自动化优化设计方法。第3节通过研究一个12层矩形MiC结构和一个L形MiC结构来验证该方法的有效性。第4节讨论了传统遗传算法（GA）和HIGA在钢结构MiC结构集成优化中的性能。此外，还研究了MiC标准化的影响。最后，第5节总结了本文的结论。

部分摘录

MiC结构的集成自动化优化设计方法

为了设计出整体性能良好的MiC结构，必须同时考虑结构安全性和模块标准化方面。本节提出了一种集成自动化优化设计方法来解决这个问题。所提出方法的主要框架如图1所示。

该方法主要包括三个部分：首先，考虑到制造过程，优先选择具有相同几何形状和统一组件的模块单元，因为它们可以在工厂批量生产

两种钢结构MiC结构的集成自动化优化设计

本节基于所提出的方法优化了钢结构MiC结构的设计。首先研究了一个12层矩形MiC建筑案例。随后，为了验证该方法对不规则平面图和地震要求较高的地区的适用性，优化了一个地震强度为7°的L形MiC建筑。讨论了标准化、结构行为和构件利用率的结果。

方法性能讨论及MiC标准化的影响

本文提出了一种基于HIGA的钢结构MiC结构集成自动化优化方法。与标准遗传算法（GA）相比，优化后的结果由训练有素的DNN预测。本节研究了DNN在性能评估中的有效性，并比较了HIGA和GA之间的优化性能。此外，还研究了不同数量的标准化组件截面和模块单元类型对MiC设计的影响

结论与未来研究方向

模块标准化和结构性能是钢结构MiC建筑设计中的关键方面。为了在自动化设计过程中有效整合这两个方面，本文提出了一种集成自动化优化设计方法，同时考虑了标准化和结构性能。该方法提出了一种系统的标准化方案，以确保模块单元和组件的统一性。接下来，

CRediT作者贡献声明

徐航：研究、概念化。夏毅：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法论、研究、概念化。齐洪拓：验证、方法论、研究、概念化。李江：监督、研究、概念化。陈杰：资源协调、方法论、研究、概念化。王立强：撰写 – 原稿撰写、可视化、软件开发、方法论、研究。刘杰鹏：验证、资源协调、项目管理工作，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家重点研发计划（2024YFC3809602）、国家自然科学基金（52308141, 52378128, 52130801）提供的财政支持。夏毅特别感谢香港建筑机器人中心（InnoHK中心，由香港创新科技署和香港建筑研究中心支持）提供的宝贵支持。