第一章 緒論
本章將闡述研究背景、研究動機、研究目的、研究方法及論文架構。簡單敘述過去 研究情形及本研究所要討論問題。
1-1 研究背景
隨著時代在進步，建築提供服務也隨著增多。人類出現以來，為了滿足住和行以及 生產活動的需要，從構木為巢、掘土為穴的原始操作開始，到今天能建造摩天大廈、萬 米長橋，以至移山填海的宏偉工程，經歷了漫長的發展過程。土木工程的發展至今，它 同社會、經濟，特別是與科學、技術的發展有密切聯繫。土木工程內涵豐富，而就其本 身而言，主要是圍繞著材料、施工、理論三個方面的演變而不斷發展的，我們可以土木 工程發展史簡單劃分為古代土木工程、近代土木工程和現代土木工程三個時代。以 17 世紀工程結構開始有定量分析，作為近代土木工程時代的開端；把第二次世界大戰後科 學技術的突飛猛進，作為現代土木工程時代的起點[1, 2]。以上所描述發展過程簡化繪成 下圖所示：
圖 1-1 土木工程發展簡史(資料來源：[1, 2])
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1-2 研究動機與目的
如何用最少資源達到最好成果，一直是人們所追求目標，特別是在有限資源情況下。
因此這幾年來結構設計在符合「生命安全」下，也同時在追求另一目標「最小成本」，
在這樣需求下，借助計算機來幫助我們來處理這類問題，而在處理這樣的問題或過程可 被稱為「最佳化問題」或「最佳化設計」。因此發展許多數值方法來解決這樣問題；例 如利用基因演算法來對結構最小成本設計[4, 5]；或者改良基因演算法處理結構設計的效 率[6, 7]。
而從上節可以了解到結構設計考量因素越來越多。考量安全因素，以其設計過程大 致程序為分析使用載重來決定材料斷面[8]，如下圖 1-3 所示：
圖 1-3 極限強度設計法概念圖:梁彎矩強度為例
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以鋼筋混凝土柱斷面為例，鋼筋比範圍，而安全與成本關係如下圖所示:
圖 1-4 成本與設計軸力關係
若以耐震因素考量，其設計過程變為先選擇一斷面配置，進行結構分析評估耐震能 力，不滿足要求則再重新選擇一組新斷面一直到滿足要求為止，如下圖所示；
決定 斷面配置 分析
使用載重
評估
耐震能力 檢核規範條件 YES 完成設計
NO
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以七層樓動力分析反應譜加速度(Spectral acceleration,Sa)與成本關係又如下圖所示:
圖 1-6 Sa 與成本關係圖
可以觀察到安全與成本及耐震與成本大致上都成正比關係，但是小區間內卻是有許 多不同變化。這樣數學關係有時會令工程師在進行結構設計時感到煩雜。
如何滿足結構設計各個目標，將是未來所要面對問題。從上段可以觀察幾件狀況；
首先，建築物在進行耐震設計過程，工程師必須嘗試各種斷面配置並對之進行耐震能力 評估，才能知道該斷面配置是否滿足耐震需求。這樣過程往往是乏味冗長程序，其設計 工作效率取決於工程師是否有經驗，有經驗的工程師知道怎樣的斷面配置進行分析時會 往設計目前進，沒有經驗的工程師則反之。接著觀察到另一個情形，從上兩圖觀察到兩 者並無明顯直接關係，這對設計者而言，是件滿困擾的問題。當我們在追逐其中一個目 標最佳值時，卻發現另一個目標值無法明確知道該落點，甚至發生無法滿足要求的情形，
其設計過程也是用試誤法或經驗法則來處理。
在過去鋼筋混凝土結構設計目標為承載力需求、最低成本，這一類問題稱為單目標 問題搜尋演算法；若再增加另一目標「韌性需求」則改稱作多目標問題搜尋演算法。在 多目標問題當中，由於各個目標之間往往是相互衝突的，若只是一味求其中單一目標的 最佳目標，經常會造成違背其他目標。因此如何在多個具有衝突的目標之間，找到一個
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平衡點，來達到整體的最佳目標，使整體的目標能夠符合決策者的要求，確實是一個相 當困難的問題。
本研究之目的即採用最佳化理論之基因演算法進行結構多目標設計，利用基因演算 法快速搜尋及計算簡單特性來幫助我們尋找可能解，而基因演算法相關研究在第二章簡 述。而「韌性需求」的發展與設計流程也將會在第二章、第三章敘述。
本文擬以一兩層及七層樓鋼筋混凝土構架為本論文將討論案例，為簡化此一設計問 題的分析程式並基於一般化的設計考量，將會設定一些合理簡化假設條件。並對該案例 進行最低成本、最適合斷面選擇的分析與探討。
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1-3 研究步驟
本研究在探討多目標基因演算法應用於鋼筋混凝結構設計，研究的步驟簡述如下：
1. 資料蒐集
首先蒐集多目標問題與結構耐震評估相關的論文和研究報告，藉此了解學術界 對此問題的研究情形和成果。
2. 建立前處理架構
鋼筋混凝土結構設計的過程主要針對斷面尺寸進行調整，但同時考慮多種限制 條件時，處理的步驟及流程成為控制效能及結果的關鍵，因此需要由基礎的力學觀 念為依據搭配經驗法則建立出適合計算機演算的多目標基因演算法前處理架構。
3. 多目標基因演算法的建構
確認多目標基因演算法的輸入參數和細部情形，並配合前處理架構建立基因演 算法的搜尋空間及初始代。
4. 數值案例測試及程式修正
透過最佳化設計案例，對撰寫好的程式進行測試，驗證程式的可行性。
5. 撰寫論文
彙整本研究之相關理論、成果及結論撰寫成論文。
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1-4 論文章節及架構
本研究論文之架構分為五個章節：
第一章為緒論，說明本研究的背景、研究的動機、目的及方法。
第二章為文獻回顧，簡要的介紹結構設計趨勢、多目標問題、基因演算法、類神經 網路。
第三章為系統設計之理論與工具軟體，說明多目標基因演算法、結構極限強度設計、
結構耐震能力評估法、類神經網路、整體系統架構。
第四章為數值案例測試，用來討論多目標基因演算法應用於鋼筋混凝土結構設計。
第五章為結論與建議，本章節對多目標基因演算法應用於結構設計的研究提出結論 及未來的展望。
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