本发明涉及建筑结构优化设计，尤其涉及一种剪力墙结构优化设计方法、系统、装置和存储介质。
背景技术：
1、随着环境保护意识的增强，绿色建筑设计和可持续性设计越来越受到重视，但是在传统剪力墙结构中，剪力墙如何布置一般通过大量工程经验或者简单的公式计算确定。这种布置方式带来方便的同时，会造成材料的大量浪费和在地震或其他极端情况下的建筑安全性能无法得到保障。与此同时，拓扑优化技术作为一种计算优化手段，被广泛应用于汽车、飞机、建筑等领域，旨在寻求满足约束条件下的最优材料分布。为此如何结合拓扑优化技术进一步发挥剪力墙布局的可设计性，寻求最佳布局，成为了建筑结构优化设计领域亟需解决的难题。
技术实现思路
1、针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种剪力墙结构优化设计方法、系统、装置和存储介质，该方法结合拓扑优化技术，充分发挥剪力墙布局的可设计性，有效的提高了建筑结构整体抗震性能，降低了工程造价。在已有建筑造型和功能的基础上利用该方法进行优化设计，能够快速、自动地对大面积剪力墙进行开洞布置，使得整体结构满足规范和经济性优化的目标。
2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
3、一种剪力墙结构优化设计方法，包括以下步骤，
4、s1：构建剪力墙结构模型，并进行有限元分析；
5、s2：根据抗震设计的约束条件，构建剪力墙结构墙体优化设计问题的数学模型；
6、s3：基于步骤s1中的有限元分析结果，采用双向渐进结构优化法进行设计变量的更新和迭代，确定增删原则以及增与删的协同并行性，实现剪力墙结构优化设计。
7、进一步的，步骤s1中的有限元分析包括受到地震荷载以及组合荷载时的力学响应分析。
8、进一步的，步骤s2中以所要优化的剪力墙为设计区域，弹性模量作为设计变量，柔顺度最小为目标函数，层间位移和体积率为约束条件，建立剪力墙结构墙体优化设计问题的数学模型。
9、进一步的，步骤s2的具体操作包括以下步骤，
10、s201：建立剪力墙结构墙体优化设计问题的数学模型为
11、
12、式中，ρ为弹性模量向量，目标函数f(ρ)为结构柔顺度，k和u分别代表结构整体刚度矩阵和位移向量，ki和ui分别代表第i个单元的刚度矩阵和位移向量，fg和fs分别为结构自重载荷和地震载荷，ρi表示第i个设计变量，ρi，min为ρi的下限值，vi是第i个单元的体积，v*表示结构体积分数的约束值，代表结构第j层层间位置，代表的限制值；上标t表示转置；
13、s202：基于p范数进行层间位移约束凝聚，层间位移约束的凝聚函数表达式为
14、
15、s203：建立基于拉格朗日函数法的目标函数为
16、
17、进一步的，步骤s3的具体操作包括以下步骤，
18、s301：根据步骤s1中有限元的分析结果，计算计区域每个单元的灵敏度数并进行排序；
19、s302：用双向渐进结构优化法进行设计变量更新，确定增删原则以及增与删的协同并行性；
20、s303：将步骤s302中更新后的变量代入步骤s301中进行重复迭代，直至更新后的变量满足收敛准则和目标体积为止。
21、进一步的，步骤s301中拉格朗日函数对设计变量的灵敏度为
22、
23、式中，ui表示在载荷作用下第i个单元的位向量；和分别代表第j和第j-1层的第h个单元的水平方向位移；w是一个约束值，变化范围是[wlower，wupper]。
24、进一步的，步骤s302的具体操作包括以下步骤，
25、s3021：令当前拓扑优化迭代步(第l步)中的目标体积v(l)为
26、v(l)＝max{vreq，(1-cer)v(l-1)}
27、式中，cer为进化率，即当前迭代步需要从上一迭代步所得拓扑结构中删除的材料百分比；
28、s302：计算目标函数对设计变量的灵敏度数
29、
30、s303：对灵敏度数进行过滤
31、
32、式中，表示线性权重因子，
33、s304：将当前迭代的灵敏度数与其相邻的前一步灵敏度数进行相加平均，将所得的值作为当前迭代步的灵敏度数，即
34、
35、进一步的，本发明还包括一种剪力墙结构优化设计系统，包括剪力墙结构模型构建模块、优化模型构建模块和优化迭代模块；
36、所述剪力墙结构模型构建模块用于构建剪力墙结构模型，并进行有限元分析；
37、所述优化模型构建模块用于根据抗震设计的约束条件，构建剪力墙结构墙体优化设计问题的数学模型；
38、所述优化迭代模块基于剪力墙结构模型构建模块中的有限元分析结果，采用双向渐进结构优化法进行设计变量的更新和迭代，确定增删原则以及增与删的协同并行性，实现剪力墙结构优化设计。
39、进一步的，本发明还包括一种剪力墙结构优化设计装置，包括至少一个处理器，以及与所述处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述处理器能够执行如前所述的方法。
40、进一步的，本发明还包括一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，所述计算机指令用于使所述计算机执行如前所述的方法。
41、本发明的有益效果是：
42、1、本发明中的剪力墙结构优化设计方法能够在给定的设计与和约束条件下，找到模型最佳的传力路径。针对不同的工况，会有不同的荷载施加在模型上，将已经离散化成的许多单元的模型中，一些单元承受的荷载作用较小，对整体结构的影响较小，而一些单元承受的荷载作用较大，对整体结构的影响也较大，所以，通过该方法删除对模型贡献较小的单元，保留并进一步强化贡献较大的单元，最终寻求在设计区域内的材料最佳分布问题。本发明所提供的方法是实现绿色建筑设计的重要方法和手段，可以提供更加高效、经济、安全和美观的建筑结构布置方案，具有重要的经济效益和社会效应价值。
43、2、采用本发明中的方法获得的剪力墙结构相较于传统布置方式的剪力墙结构能够更好地抵御外部荷载，如风荷载、地震荷载等，从而减小结构损伤地可能性。
44、3、采用本发明中的方法能够使得材料利用率最大化，更为经济，从而节约成本，同时保证结构的安全性和经济性。
45、4、本发明中的方法可以针对各种复杂的受力工况以及相应的约束条件进行优化，从而确定结构的最佳传力路径，同时解决了剪力墙结构在受到地震荷载以及组合荷载时的动态响应问题，所提供的系统的优化方法，能够确保工程具有更高质量和可靠性。
1.一种剪力墙结构优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤，
2.根据权利要求1所述的一种剪力墙结构优化设计方法，其特征在于：步骤s1中的有限元分析包括受到地震荷载以及组合荷载时的力学响应分析。
3.根据权利要求1所述的一种剪力墙结构优化设计方法，其特征在于，步骤s2中以所要优化的剪力墙为设计区域，弹性模量作为设计变量，柔顺度最小为目标函数，层间位移和体积率为约束条件，建立剪力墙结构墙体优化设计问题的数学模型。
4.根据权利要求3所述的一种剪力墙结构优化设计方法，其特征在于，步骤s2的具体操作包括以下步骤，
5.根据权利要求4所述的一种剪力墙结构优化设计方法，其特征在于，步骤s3的具体操作包括以下步骤，
6.根据权利要求5所述的一种剪力墙结构优化设计方法，其特征在于，步骤s301中拉格朗日函数对设计变量的灵敏度为
7.根据权利要求6所述的一种剪力墙结构优化设计方法，其特征在于，步骤s302的具体操作包括以下步骤，
8.一种剪力墙结构优化设计系统，其特征在于：包括剪力墙结构模型构建模块、优化模型构建模块和优化迭代模块；
9.一种剪力墙结构优化设计装置，其特征在于：包括至少一个处理器，以及与所述处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述处理器能够执行权利要求1-7中任一项所述的方法。
10.一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，其特征在于：所述计算机指令用于使所述计算机执行权利要求1-7中任一项所述的方法。
