应用背景：项目过程中，做不同方案比选是工程中经常面对的场景，不同方案的优缺点及经济指标都是业主选型参考的重要指标，但对于设计师来说也会显著增加工作量。本文通过实际工程中的某高层结构方案对比的整个智能辅助应用过程，希望为同行在类似应用场景下的工程应用提供标准化、可复制推广的操作参考。
项目设计单位：广州市设计院集团有限公司。
项目概况：本案例项目为一栋22层（地面以上）的钢筋混凝土结构，结构总高96.9m，修正后的基本风压0.65kN/㎡，场地类别III类，设防烈度7（0.1g）度，抗震设防类别为丙类，拟采用框架-核心筒结构或框架-剪力墙结构。
项目应用过程说明：随着方案对比深度的由浅入深，为方便理解与阐述，下文总共分为三个阶段：初期方案比选阶段、中期方案比选阶段、最终方案阶段。
初期方案比选阶段包含三个方案，这三个模型均相对比较粗糙，只有一个标准层，对比平面布置差异性带来的指标及经济性影响；
中期方案比选阶段排除一个方案后剩下两个平面布置方案，同时基于前期方案指标结果适当调整核心筒及框架柱的布置，也对结构立面标准层划分及构件尺寸收进等进行细化；
最终方案阶段是业主考虑上述的方案对比结果后最终选定其中的一个方案，但也对结构的平面布置和立面布置进行微调。
下文针对这三个阶段分节进行详细介绍，希望能达到参考本文复制应用的深度。
本阶段包括A、B、C三个建筑方案，对应有三个结构模型，初期方案仅设置一个标准层，为使PKPM-AID找出结构沿竖向刚度尺寸变化的趋势，将标准层再复制共五个标准层进行试算，初始模型梁截面尺寸主要有500x800mm（主梁）、200x800mm、200x400mm三种，柱截面尺寸均为1000x1000mm，剪力墙厚度为200mm、500mm。三个模型的结构平面布置图如下：
结构平面布置图（从左至右依次为方案A、方案B、方案C）
1.1.1 初始模型计算结果
方案A：平面布置的刚度分布情况相比其他两个备选方案明显不均匀，核心筒位于中心偏下位置，核心筒上侧区域偏置于左侧，导致此区域较为薄弱。
计算完成后，结果符合初期预判，整体指标存在周期比、位移比、风荷载下位移角超限的情况，同时大量构件配筋超限，具体如下图：
1.1.2 PKPM-AID高级指标辅助设计
本次主要目标为进行方案对比，因此重点关注在整体指标满足规范要求的前提下，不同方案之间的经济性对比。方案A主要通过“高级指标控制”功能迭代计算整体目标，辅助设计师快速确定本方案下的合理性与调整方向。
首先采用AID灵敏度功能，确定影响位移比和周期比指标关键的构件，用于辅助下一步进行设计分组。
第二步，根据灵敏度计算结果及以往项目经验，按不同位置及不同楼层将结构梁、柱、墙划分为以下多个设计组：
第三步，设置变量如下图，本方案共设置44个变量，通过高级选项设置不同变量之间的变化关系，从而保证优化后上层竖向构件截面尺寸不大于下层，且连梁宽度等于搭接的剪力墙厚度。
第四步，设置优化目标与约束条件如下图，通过此设置，在优化方向为总造价最小的前提下，要求位移比、位移角、周期比等整体指标满足规范要求，同时还要求设计组中各构件承载力达到充分利用状态，且扭转周期小于第二平动周期从而达到理想的平平扭振型，从而实现更合理结构平面分布。
1.1.3 迭代计算结果
利用下班晚上空闲时间，经过约150次迭代计算后，确定了最优结果，优化过程如下图，此时周期比、位移比、位移角均可满足规范要求，且大部分构件截面的承载力均得到充分利用，造价方面仅增加约10%。
相较于方案A，方案B结构布置较为规则，整体上成规则矩形，核心筒位于中上侧区域，其余位置按7~9m的柱跨布置框架柱，刚度分布较为均匀，本身整体指标均满足规范要求，且普遍有一定的安全富裕，故采用“AID-智能截面优选”功能，进行经济性优化调整。
1.2.1 PKPM-AID智能截面优选辅助设计
第一步，分别对结构梁与结构柱进行设计分组，梁分为X向主梁、Y向主梁、所有次梁三个设计组，柱则归为一个设计组，如下图所示：
第二步，设置截面优选的约束条件及目标，以梁为例，设置界面如下图，限制了优化后的梁配筋率，另外要求钢筋排数不大于两排、梁宽不大于柱宽等，约束标目为造价最低。
1.2.2 迭代计算结果
最后启动截面优选计算，仅需经过5轮迭代便得出最优结果，除局部构件剪扭或剪压超限外，其余构件均满足承载力要求，且整体指标依旧满足规范要求，造价相比原始模型下降15%。具体见下表：
方案C相比其他两个方案更为规则，整体上呈正方形，核心筒位于中心位置，为标准的框架-核心筒结构体系，平面刚度分布均匀，与方案B情况一致，整体指标均可满足规范要求，仅存在部分构件超限的情况，结构平面布置图如下：
1.3.1 迭代计算结果
方案C操作步骤基本同方案B，因此简化仅列出最终优化结果如下表：
本阶段，综合考虑不同讨论意见，在方案A和方案B之间进行进一步的深入对比，且设计师根据第一阶段计算成果对模型进行了细化处理，整体平面布置除部分剪力墙有所调整以外，与第一阶段较为接近，竖向上细分为三个标准层，此时两个方案模型整体指标均满足规范要求，仅存在部分构件配筋超限的情况。
相比初期方案，新方案主要调整了局部剪力墙布置（下图中圈出部分），原始模型整体指标满足规范要求，通过超筋超限信息汇总功能进行查看，发现原始模型存在部分柱轴压比超限，同时存在部分柱、墙、次梁构件安全富裕过大的情况，故考虑先通过“截面优选功能”调整次梁截面尺寸，使其更为经济合理；然后通过“高级指标控制”功能，在保持整体指标满足规范要求的前提下，对竖向构件进行调整。
2.1.1 PKPM-AID智能截面辅助设计
将所有次梁设置为一个设计组，备选截面库中梁宽200~500，梁高400~800，最终经过约5次迭代计算，优化完成，最终造价降低6%，详见下表：
2.1.2 PKPM-AID高级指标辅助设计
通过整体指标控制功能对竖向构件进行调整，优化构件的变量设置如下，调整下限为原截面尺寸的0.6倍，调整上限为原截面尺寸的1.4倍。
优化目标为造价最低，约束条件为在保证整体指标依旧满足规范要求的前提下，对竖向构件进行调整。
迭代过程如下图，最终计算结果整体指标均满足规范要求，且没有竖向构件轴压比超限的情况，同时造价约降低10%。
相比于初期方案，本阶段方案主要调整了局部剪力墙布置（下图框选区域），原始模型整体指标满足规范要求，但存在大量梁构件配筋超限的情况，故通过“智能截面优选”功能进行调整，另原模型第二周期为扭转周期，完成截面优选之后再通过“整体指标控制”功能将扭转周期优化为第三周期，使结构更为合理。
2.2.1 PKPM-AID智能截面辅助设计
将主梁、次梁分为两个设计组，截面优选结果如下表，除剪压比超限、剪扭超限外，配筋超限的情况得以显著减少，同时造价基本保持不变。
2.2.2 PKPM-AID高级指标辅助设计
与方案A类似，进行“整体指标控制”计算时，限制各指标满足规范要求，且要求第一扭转周期/第二平动周期＜1，从而实现“平平扭”的振动形态，另外要求调整后的竖向构件满足承载力要求，迭代计算过程如下：
最终计算得出的最优模型满足优化约束条件，达到了“平平扭”的效果，且造价尚略有降低。
本阶段，最终汇报后考虑业主意见，选定建筑造型美观但整体造价相对偏高的方案A。
3.1 原模型及调整方向
相比于中期阶段方案，本方案除部分构件截面尺寸有所优化外，核心筒上侧区域剪力墙分布有所调整，且在上方区域新增了一排结构柱以增加此薄弱区域结构竖向刚度，与中期方案对比如下图所示：
计算结果中除局部剪压比超限外，不存在配筋超限的情况，但因为其平面刚度分布的不均匀性，存在周期比超限，且X方向位移比超过1.4，故采用“整体指标控制”功能进行优化，调整构件为部分结构梁、柱、墙。优化主要目标为使周期比满足规范要求，且扭转周期出现在第三周期，位移比降至1.4以下，同时调整构件尺寸使其截面承载力得以充分利用。
3.2 PKPM-AID高级指标辅助设计
首先通过灵敏度功能筛选影响周期比和位移比较大的构件用于指导后续分组，灵敏度分析结果如下：
综合考虑上述灵敏度及前两个阶段的方案A试算结果，最终设计组分组情况如下：
设计变量信息中，设置调整下限为原截面尺寸的0.6倍，调整上限为原截面尺寸的1.4倍，并通过高级选项控制保证上层竖向构件截面不大于下层，且连梁宽度等于搭接剪力墙宽度，并设置对应优化目标为造价最小，约束条件为：周期比小于0.9，X向位移比小于1.4，扭转周期为第三周期，优化后的各构件承载力满足要求。
3.3 迭代计算结果
最终经过约120次迭代计算，获得最优结果如下：
从结果可知此时各项指标均能满足规范要求，此时SATWE计算结果相对造价从原始模型的1013万降低至951万，降幅6%，优化后的模型各项指标汇总如下：
本文详细阐述了采用PKPM-AID智能辅助设计软件深度参与某高层结构方案比选的过程，帮助设计师高效完成不同方案布置带来的模型规范与经济指标等可量化对比。希望通过本案例的应用过程详细分享，为同行在类似应用场景下的工程应用提供参考。
通过上述过程也可以看出，PKPM-AID可以大大减轻设计师方案对比中反复调试模型的工作量，使设计师更加专注于进行方案的定性与定量对比，提高工作效率。
供稿丨叶茂烜、刘庆刚、张健 审稿丨刘孝国、黄怡萍、杜娟
编辑丨王蕊 责编丨张跃飞
