【摘 要】構(gòu)件的聚類分組歸并多年來一直是建筑結(jié)構(gòu)行業(yè)的熱點話題。在分析探討構(gòu)件分組歸并理論及C-均值模糊聚類算法的基礎(chǔ)上，給出了基于FCM算法的鋼構(gòu)件聚類歸并方法的流程以及具體實現(xiàn)步驟，并結(jié)合案例表明此方法具有較好的實用性和有效性。

【關(guān)鍵詞】鋼構(gòu)件；C-均值聚類算法；優(yōu)化設(shè)計

0.引言

據(jù)國家發(fā)改委2012年底公布的數(shù)據(jù)顯示，至12年11月全國粗鋼產(chǎn)量達到66013萬噸，同比增長2.9%，鋼材產(chǎn)量87041萬噸，增長7.2%，連年攀高的鋼材產(chǎn)量現(xiàn)已穩(wěn)居世界第一。自我國進入WTO后，建筑鋼材品種更為豐富，價格更為合理。目前北京、天津、山東、上海、廣東等地已興建了大量底層、多層、高層鋼結(jié)構(gòu)試點示范工程，體現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)建筑在我國發(fā)展的良好勢頭[1]。

如何快速、經(jīng)濟、合理地進行鋼結(jié)構(gòu)體系的分析設(shè)計，一直以來都是土木工程領(lǐng)域中的熱點問題。在我國，目前主要是設(shè)計人員憑借自己的工程實踐經(jīng)驗，依靠現(xiàn)有的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件作為載體，采取重復(fù)設(shè)計的方法完成數(shù)字模型的分析計算。專用的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)CAD軟件中一般都具有圖形前處理、結(jié)構(gòu)的分析計算、優(yōu)化設(shè)計、自動生成施工圖等功能較為完備的模塊，且大多軟件都會采用歸并系數(shù)法對構(gòu)件進行分組歸并優(yōu)化。然而實際工程結(jié)構(gòu)中，歸并對象的數(shù)值分布是任意的，有時甚至是雜亂無章的，歸并系數(shù)法以“距離”相近原則對特征對象機械的分組歸并很難找到實際的，復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型中各構(gòu)件的“最優(yōu)滿意解” [2]。

1.C-均值模糊聚類算法

C-均值模糊聚類算法（簡稱FCM算法）依據(jù)客觀事物間的特征、親疏程度和相似性，通過建立模糊相似關(guān)系對客觀事物進行科學、有效的分類，此分類方法以模糊數(shù)學理論為基礎(chǔ)，能夠?qū)崿F(xiàn)待歸并對象的非等距區(qū)間分割。

定義聚類目標函數(shù)：J（u，v）=ud聚類目標函數(shù)表示各類中樣本點到聚類中心的加權(quán)距離平方之和。其中ξ∈（1，+∞）為加權(quán)指數(shù)，樣本Xi對第k聚類的隸屬度uik為權(quán)值，d=‖x-v‖為樣本點Xi到聚類中心Vk的歐氏距離。

⑦若某個分組中的樣本集聚度為0，剔除此集聚度為0的聚類中心，返回重新進行3～6步的計算，直至沒有冗余聚類的出現(xiàn)，計算停止。

⑧對每個分組中的p個樣本進行規(guī)格化設(shè)計，得到各個分組的規(guī)格化歸并值。

聚類歸并能夠合理減少樣本的分組數(shù)目，進而降低工程結(jié)構(gòu)的加工設(shè)計成本，實現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)的綜合成本趨于最優(yōu)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計目標。

3.案例分析

工程1（參見圖1）為濟南市某商業(yè)服務(wù)中心，共三層，主要功能為辦公和商業(yè)。主體為鋼框架結(jié)構(gòu)體系，鋼柱和鋼梁均采用Q345BF級鋼材，現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板。采用C-均值模糊聚類算法對初始模型中的鋼梁和鋼柱等主要承重構(gòu)件進行分組歸并后，構(gòu)件截面尺寸均有所增大，鋼材用量與初始模型相比增幅為0.9%。然而聚類歸并后，梁柱構(gòu)件的截面種類均有所減少，降低了工程結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，可達到優(yōu)化數(shù)學模型的分析目標。

工程2（參見圖2）為某鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屋蓋，網(wǎng)架長向支承跨度為65.51m，短向為47.30m，覆蓋面積約為3000m2。采用C-均值聚類算法優(yōu)化模型桿件后，部分桿件的截面尺寸有所增加，用鋼量與初始模型相比增幅為1.59%。然而聚類歸并后，桿件種類減少3種（優(yōu)化前后結(jié)果參見表1），同樣達到了降低結(jié)構(gòu)模型復(fù)雜程度的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計目標。

4.結(jié)束語

本文以優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)模型，降低工程成本為研究背景，結(jié)合模糊數(shù)學中的C-均值模糊聚類算法給出了鋼構(gòu)件分組歸并優(yōu)化的實現(xiàn)方案，并通過案例證明了方法的可行性。 [科]

【參考文獻】

[1]陳祿如.我國鋼結(jié)構(gòu)住宅發(fā)展概況[J].鋼結(jié)構(gòu)，2007（7）.

[2]張曉杰.實現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件模糊聚類歸并的冗余聚類篩除法[J].計算機輔助設(shè)計與圖形學學報，2006，2（18）.

[3]劉強.基于FCM算法的多層鋼框架模糊優(yōu)化設(shè)計[D].山東建筑大學，2011.