بهینه سازی طراحی سازه فرآیندی پیچیده و پرهزینه است. علت پیچیدگی این فرآیند آن است که تعداد متغیرهای تاثیرگذار در طراحی سازه بسیار زیاد است و این متغیرها نسبت به یکدیگر وابسته هستند. با توجه به این پیچیدگی نیاز است برای دستیابی به جواب مناسب، محاسبات فراوانی انجام گیرد. برای انجام این حجم از محاسبات باید زمان و هزینه زیادی صرف شود. به همین دلایل فرآیند بهینه سازی باید بگونه‌ای تعیین شود تا در ابتدا توانایی دستیابی به جواب مناسب را داشته باشد و همچنین کم‌ترین هزینه زمانی و مالی را تحمیل کند.
بطور کلی چهار مرحله باید طی شود تا فرآیند بهینه سازی تکمیل شود.
- تعیین تکنیک مدلسازی تحلیل و طراحی سازه
- فرموله کردن مسئله بهینه سازی
- تعیین تکنیک بهینه سازی
- تعیین ابزارهای محاسباتی و نرم‌افزارهای طراحی
در ادامه توضیحات بیشتری در رابطه با هر یک از 4 مرحله فوق داده می‌شود تا آشنایی بیشتری با فرآیند بهینه سازی ایجاد شود.
تعیین تکنیک مدلسازی تحلیل و طراحی سازه
بهینه سازی سازه یک فرآیند تکراری است. در طی این فرآیند نیاز است سازه به دفعات تحلیل شود تا میزان بهبود هر طراحی سنجیده شود. این تکرار تا همگرایی به جواب بهینه ادامه پیدا می‌کند. در این شرایط بسیار مهم است که روش تحلیل مناسبی انتخاب شود تا از نظر محاسباتی کم هزینه باشد. هزینه محاسبات در سازه‌های پیچیده و بزرگ اهمیت بسیار بیشتری پیدا می‌کند. بطور کلی تحلیل سازه بر اساس روش اجزاء محدود است. در فرآیند بهینه سازی، متداول است از روش‌های اجزا محدود ساده شده استفاده شود. بدلیل آنکه روش‌های اجزا محدود دقیق هزینه محاسباتی زیادی ایجاد می‌کنند. از اقدامات دیگری که برای کاهش هزینه محاسباتی می‌توان انجام داد آن است که تحلیل و طراحی سازه با یکدیگر ادغام کرد .
با توجه به تکنیک‌های مدلسازی مورد استفاده در مراحل اولیه فرآیند طراحی، بهینه سازی سازه را می‌توان به دو دسته کلی بهینه سازی گسسته و بهینه سازی پیوسته تقسیم کرد. در بهینه سازی گسسته، سیستم سازه با المان‌های گسسته سازه مدل می‌شود، در حالی که در بهینه سازی پیوسته، سیستم سازه به عنوان یک ساختار یکپارچه با توپولوژی متغیر در نظر گرفته می‌شود.
در بهینه سازی پیوسته، سعی می‌شود توپولوژی سازه به نحوی تعیین شود که میزان مصرف مصالح به حداقل رسد. می‌توان گفت روش بهینه سازی پیوسته عملکرد بهتری نسبت به روش بهینه سازی گسسته دارد، زیرا طراحی بهینه، لزوماً منجر به عناصر سازه‌ای خرپایی یا تیر و ستون نمی‌شود. با این وجود، کاربرد روش پیوسته نسبتاً محدود است؛ زیرا مسئله بهینه سازی، مسئله‌ای پیچیده است و فرآیند برنامه‌نویسی آن نیز دشوارتر از بهینه سازی گسسته است.
فرموله کردن مسئله بهینه سازی
فرموله کردن مسئله بهینه سازی به سه بخش اساسی تقسیم می‌شود.
- تعیین فضای جستجوی مسئله: بدین صورت که تمامی جواب‌های ممکن برای مسئله بهینه سازی مشخص شوند.
- تعیین متغیرهای طراحی: در مسئله بهینه سازی باید مشخص شود در چه پارامترهایی از سازه قابلیت ایجاد تغییر وجود دارد.
- توابع هدف: در بهینه سازی باید توابعی تعریف شوند تا بتوان جواب‌های بدست آمده را با آنها سنجید و بهترین گزینه را انتخاب کرد.
- محدودیت‌ها: به الزامات ایمنی که توسط آیین‌نامه‌ها تعیین می‌شوند، گفته می‌شود. این الزامات باید در طول فرآیند بهینه سازی برآورده شوند.
تعیین تکنیک بهینه سازی
در سال‌های اخیر برنامه‌نویسی ریاضی و تکنیک‌های جستجوی عددی به یکی از رایج‌ترین رویکردهای کاربردی در بهینه سازی سازه برای جستجوی راه‌حل بهینه تبدیل شده‌اند. بطور کلی روش‌های بهینه سازی در مهندسی سازه به دو بخش تکنیک‌های مبتنی بر گرادیان و تکنیک‌های ابتکاری تقسیم می‌شوند.
تکنیک‌های مبتنی بر گرادیان، قبل از شروع جستجو به یک مسیر از پیش تعریف شده برای جستجو نیاز دارند. اما تکنیک‌های ابتکاری بر مبنای آزمون و خطا عمل می‌کنند. بسیاری از تکنیک‌های یادگیری ماشین که هدف آنها بهبود راه‌حل‌ها با تکرار است، جزء این دسته قرار می‌گیرند. روش‌های ابتکاری در برنامه‌نویسی به نسبت آسان‌تر هستند و سرعت محاسباتی بیشتری نیز دارند. اما این روش‌ها وابسته به مسئله هستند و نمی‌توان از یک تکنیک در تمامی مسائل بهینه سازی استفاده کرد.
تعیین ابزارهای محاسباتی و نرم‌افزارهای طراحی
بعد از گذراندن سه مرحله بالا، باید ابزار محاسباتی مناسبی انتخاب شود تا بهینه سازی به بهترین شیوه پیاده‌سازی شود. برای بهینه سازی طراحی ساز به دو نرم‌افزار نیاز است: نرم‌افزار محاسباتی و نرم‌افزار طراحی. وظیفه نرم‌افزار محاسباتی آن است که داده‌هایی تولید کند که بر اساس آن در هر تکرار، مدلی جدید از سازه ایجاد شود. نرم‌افزار طراحی نیز وظیفه دارد مدل‌های ایجاد شده را تحلیل و طراحی کند. این روند ادامه پیدا می‌کند تا الگوریتم به سمت جواب بهینه همگرا شود. متداول‌ترین نرم‌افزار محاسباتی MATLAB می‌باشد و بطور معمول از نرم‌افزارهای ETABS و SAP به عنوان نرم‌افزار طراحی استفاده می‌شود.
منبع:
Mei, L.; Wang, Q. Structural Optimization in Civil Engineering: A Literature Review. Buildings 2021, 11, 66. https://doi.org/10.3390/buildings11020066
