高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計范文
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第1篇
[關(guān)鍵詞]高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計；優(yōu)化設(shè)計
隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，城市人口的不多增加以及建設(shè)用地的日趨緊張，使得高層建筑如雨后春筍般發(fā)展。從現(xiàn)在的建筑水平來說，高層建筑或高層住宅是今后整個建筑業(yè)的重點。所以高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的重要性就日益凸顯出來。
所謂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，就是指工程結(jié)構(gòu)在滿足約束條件下按照預(yù)定目標(biāo)求出最優(yōu)方案的設(shè)計方法。
1.高層建筑的發(fā)展方向
1.1新材料的開發(fā)和應(yīng)用
隨著高性能混凝土的研制和發(fā)展，混凝土的強度等級和韌性得到了很大程度的改善，尤其是高強度混凝土的出現(xiàn)，使用高強度混凝土可以減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸，從而減小結(jié)構(gòu)的自重；高層建筑鋼結(jié)構(gòu)中FR鋼提高了高溫時鐵的強度，使鋼材的防火保護層厚度減小，從而降低鋼結(jié)構(gòu)的造價。
1.2隔震和消能減震設(shè)計得到推廣
目前我國和世界各國普遍采用的傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)體系是“延性結(jié)構(gòu)體系”，即適當(dāng)控制結(jié)構(gòu)物的剛度，但容許結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震時進(jìn)入非彈性狀態(tài)，并具有較大的延性，以消耗地震能量，減輕地震反應(yīng)，使結(jié)構(gòu)物“裂而不倒”。高層建筑結(jié)構(gòu)的減震是通過在結(jié)構(gòu)中設(shè)置被動耗能裝置，為結(jié)構(gòu)提供一定的附加剛度或附加阻尼，從而消耗本來由結(jié)構(gòu)構(gòu)件所需承擔(dān)的地震能量，以減輕結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)，從而大大減輕了高層建筑結(jié)構(gòu)的變形和損傷。
1.3智能建筑技術(shù)得到發(fā)展
現(xiàn)代建筑技術(shù)和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的結(jié)合促成了智能建筑的產(chǎn)生，在高層建筑中有更廣闊的應(yīng)用前景。智能建筑是建筑、裝備、服務(wù)和經(jīng)營四要素各自優(yōu)化、相互聯(lián)系、全面綜合并達(dá)到最佳組合，以獲得高效率、高功能與高舒適的建筑物。智能建筑是通過對建筑物的4個基本要素，即結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、服務(wù)和管理，以及它們之間的內(nèi)在聯(lián)系，以最優(yōu)化的設(shè)計，提供一個投資合理又擁有高效率的幽雅舒適、便利快捷 高度安全的環(huán)境空間。智能建筑的構(gòu)成至少必須具備三大系統(tǒng)：設(shè)備管理自動化系統(tǒng)、通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、辦公自動化系統(tǒng)，并以此應(yīng)用現(xiàn)代4C技術(shù)構(gòu)成智能建筑結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)，結(jié)合現(xiàn)代化的服務(wù)與管理方式給人們提供一個安全、舒適的生活、學(xué)習(xí)與工作環(huán)境空間。
2.高層建筑優(yōu)化設(shè)計過程中出現(xiàn)的問題
目前，結(jié)構(gòu)優(yōu)化的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于理論進(jìn)展，特是高層建筑土木建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用還不普遍。其主要原因有：
2.1高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作量比較大
高層建筑優(yōu)化理論相對落后，而且目前沒有實用的結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件，高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化變量個數(shù)比較多，且變量隨著結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度而急劇增加，又難以區(qū)分主動變量和被動變量，只能求出相對最優(yōu)解。高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題需要通過反復(fù)多次尋優(yōu)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析極少能一次成功，這就大大增加了高層建筑優(yōu)化分析的工作量。
2.2結(jié)構(gòu)尺寸
如果只重視結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化（即在給定結(jié)構(gòu)的幾何形狀、荷載和材料的情況下，求出滿足約束條件的最優(yōu)構(gòu)件截面），而忽視結(jié)構(gòu)整體的優(yōu)化。現(xiàn)在結(jié)果表明，形狀優(yōu)化比尺寸優(yōu)化更有意義。單純的尺寸優(yōu)化無法接近最優(yōu)的結(jié)果，也不能令人信服。設(shè)計人員較普遍地認(rèn)為，結(jié)構(gòu)設(shè)計只要結(jié)構(gòu)方案和布置合理，結(jié)構(gòu)又有比較成熟的計算機軟件進(jìn)行分析計算。構(gòu)件截面只要通過計算結(jié)果滿足規(guī)范即可，認(rèn)為上部結(jié)構(gòu)相對下部結(jié)構(gòu)，即地基基礎(chǔ)部分，特別是軟土地基的意義不大，因此對上部結(jié)構(gòu)截面的優(yōu)化所能達(dá)到的經(jīng)濟效益未予以足夠的重視。
2.3對離散變量無法做出準(zhǔn)確的分析
建筑物尺寸以及鋼筋、型鋼規(guī)格型號等都不是連續(xù)變化的，因此，傳統(tǒng)的優(yōu)化方法，如各種梯度算法、對偶算法等解析算法均無法勝任。而且，由于問題的規(guī)模較大，隨之帶來的計算量急劇增加的“組合爆炸”問題也會使計算量急劇增加。
3.高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的方法
3.1方法
對高層建筑結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行優(yōu)化采用何種方法，首先應(yīng)分析這一問題的目標(biāo)函數(shù)、目標(biāo)函數(shù)中的各種變量，這些變量之間的各種數(shù)學(xué)解析關(guān)系以及與各種變量有關(guān)的約束條件，在分析的基礎(chǔ)上是采用間接優(yōu)化還是直接優(yōu)化方法來確定。高層建筑結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化的目標(biāo)就是材料耗量，材料耗量決定于構(gòu)件的截面尺寸大小，截面尺寸必須滿足通過力學(xué)分析得到各構(gòu)件內(nèi)力后的強度計算及位移變形等條件。因此，目標(biāo)函數(shù)很難用明確的數(shù)學(xué)解析式來表達(dá)，不能用數(shù)學(xué)上求極小值的方法，也就是一般所說的間接優(yōu)化方法來優(yōu)化。高層建筑結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化只能采用直接優(yōu)化法來解決，即給目標(biāo)函數(shù)中變量以已知值，經(jīng)過試算使其滿足一定的約束條件，求得其目標(biāo)值，并找出使目標(biāo)值逐步變小而趨向最佳值的路線或方向，以達(dá)到目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值。因此，可以采用滿應(yīng)力法進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。
3.2滿應(yīng)力設(shè)計法是在桁架等桿系結(jié)構(gòu)的設(shè)計中發(fā)展起來的，是結(jié)構(gòu)優(yōu)化中最簡單、最易為工程人員理解的一種準(zhǔn)則法。所謂滿應(yīng)力是指結(jié)構(gòu)構(gòu)件在荷載作用下的最大應(yīng)力達(dá)到所用材料的容許應(yīng)力，此時材料的強度得到充分利用，構(gòu)件截面面積將是最小，故可作為桁架最輕設(shè)計或體積最小設(shè)計的一個準(zhǔn)則。滿應(yīng)力設(shè)計法是結(jié)構(gòu)在規(guī)定材料和幾何形狀的條件下，按照滿應(yīng)力準(zhǔn)則的要求，修改構(gòu)件的截面尺寸，使每一構(gòu)件至少在一種工況下達(dá)到或接近其容許應(yīng)力限值的優(yōu)化算法。如果結(jié)構(gòu)除了應(yīng)力約束外還有界限約束，則要求每一構(gòu)件應(yīng)力約束和界限約束中至少有一個達(dá)到臨界值。
3.3利用滿應(yīng)力設(shè)計法進(jìn)行高層建筑的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計要遵循以下步驟：①要根據(jù)常規(guī)做法和經(jīng)驗確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的初始截面尺寸，并按構(gòu)件分類分別建立柱、墻、梁可供選擇截面尺寸的數(shù)據(jù)庫；②要對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行力學(xué)分析，算出各工況下結(jié)構(gòu)的位移及內(nèi)力，并對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行承載力計算；③要根據(jù)計算結(jié)果，對構(gòu)
件截面尺寸進(jìn)行調(diào)整，在滿足位移條件的前提下，盡量充分發(fā)揮
構(gòu)件材料的性能，即按規(guī)范計算使其接近滿應(yīng)力狀態(tài)。
總之，由于目前我國高層建筑發(fā)展迅速，在其結(jié)構(gòu)設(shè)計中經(jīng)常遇會到各種問題，這就需要結(jié)構(gòu)設(shè)計人員不斷地積累經(jīng)驗，自主創(chuàng)新，利用正確概念進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。因此，結(jié)構(gòu)工程師必須在每一個工程項目的設(shè)計中都能做到不斷地探求自然法則，不懈地追求相對的最優(yōu)，要通過反思比較，在經(jīng)驗積累中不斷提高自己的判斷力和創(chuàng)新力。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計來降低工程造價是控制工程投資的一個有效途徑，而正確處理技術(shù)與經(jīng)濟的對立統(tǒng)一是控制投資的關(guān)鍵。不能片面強調(diào)節(jié)約投資，而降低技術(shù)和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，又要反對重技術(shù)、輕經(jīng)濟，設(shè)計保守浪費的現(xiàn)象。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的首要任務(wù)是滿足建筑功能的需求，實現(xiàn)建筑物適用、安全、美觀、經(jīng)濟的目標(biāo)。
參考文獻(xiàn)
[1]沈蒲生.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.
第2篇
關(guān)鍵詞：高層建筑結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計；成本降低
1研究背景
伴隨著城市化進(jìn)程的加快，全球經(jīng)濟一體化形式的構(gòu)成，越來越多的農(nóng)村人口向城市涌進(jìn)，這無疑將增大城市的人口壓力和住房壓力，而為了有效地將這些壓力緩解，避免社會矛盾激化，因而在技術(shù)水平的支持下不斷出現(xiàn)了高層建筑，顯然這在一定程度上將住房壓力緩解了。然而，正如我們所知，技術(shù)是在不斷進(jìn)步的，以往的設(shè)計方式弊端也會在使用中不斷顯露出來，為了更好地保證人們住房的安全，非常有必要對現(xiàn)有的高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。筆者根據(jù)自身的工作經(jīng)驗，在文章中將以A市的某個高層建筑作為實際案例進(jìn)行分析闡述。該高層建筑共有10層，30m高，建筑物內(nèi)部各項系統(tǒng)部件構(gòu)成完整。
2關(guān)于未來高層建筑發(fā)展的趨勢分析
2.1新型材料的開發(fā)與運用
科技水平的進(jìn)步，不斷研究和開發(fā)出了新型的高性能混凝土材料，在很大程度上改善了傳統(tǒng)混凝土的韌性及強度等級，尤其是在建筑施工中出現(xiàn)了高強度的混凝土之后，施工人員在施工操作中有效地將結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸減小了，這有助于結(jié)構(gòu)的自重也隨之減小。另外，存在于高層建筑中鋼結(jié)構(gòu)中的FR鋼能夠有效地將高溫時鐵的強度提高，從而減小鋼材中防火保護層的厚度，最終使鋼結(jié)構(gòu)在整個工程建筑中的成本造價降低了。
2.2逐漸推廣的消能減震和隔震設(shè)計
現(xiàn)階段，延性結(jié)構(gòu)體系作為傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)體系是在全世界范圍內(nèi)被普遍采用的，我國也是如此，一直沿用著這樣的結(jié)構(gòu)體系，其通過適當(dāng)?shù)膶Y(jié)構(gòu)物的剛度進(jìn)行控制，容許在地震時結(jié)構(gòu)構(gòu)件能夠自行進(jìn)入非彈性的狀態(tài)，并在保持較大延性的情況下，盡可能的將地震能量消耗掉，有利于將地震帶來的不良反應(yīng)減輕，最終保證建筑結(jié)構(gòu)能夠長久地佇立而不坍塌。在高層建筑的結(jié)構(gòu)中，是否能夠有效地減震，其前提是需要提前將被動耗能的裝置設(shè)計出來，以便將一定的附加阻尼或者附加剛度提供給建筑物結(jié)構(gòu)，從而將結(jié)構(gòu)構(gòu)件需要承擔(dān)的那一部分地震能量消耗掉，以便將結(jié)構(gòu)中的動力反應(yīng)降低，最終有利于將高層結(jié)構(gòu)建筑中的損傷和變形程度降低。
2.3大力發(fā)展智能建筑這一技術(shù)
在高新技術(shù)和現(xiàn)代建筑技術(shù)產(chǎn)業(yè)的結(jié)合之下，產(chǎn)生了新型的智能建筑產(chǎn)業(yè)。從其自身所具有的特點和應(yīng)用的特性分析，該技術(shù)能夠廣泛地應(yīng)用在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計之中。簡單講就是，服務(wù)、建筑、經(jīng)營及裝備等四部分內(nèi)容的結(jié)合體就是智能化建筑，在有效全面的綜合、各自優(yōu)化以及相互關(guān)聯(lián)的情況下，能夠使四者之間達(dá)到最佳的組合狀態(tài)，從而確保建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計是符合高舒適、高效率和高功能的要求的。通過服務(wù)、結(jié)構(gòu)、管理和系統(tǒng)等四個基本的要素在智能化建筑中所建立起來的內(nèi)在聯(lián)系的作用，隨后在優(yōu)化設(shè)計的利用下，能夠?qū)⒁粋€高效率運用、投資合理的安全、干凈、舒適的環(huán)境空間提供給用戶。若想有效地構(gòu)成智能化建筑，必須同時具備三大系統(tǒng)，分別是辦公自動化系統(tǒng)、設(shè)備管理的自動化系統(tǒng)以及通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，只有在這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計背景之下，才能夠?qū)⒁粋€舒適、安全的工作和生活環(huán)境提供給客戶。
3存在于高層建筑優(yōu)化設(shè)計中的弊端
現(xiàn)如今，有關(guān)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的理論基礎(chǔ)已經(jīng)十分成熟，但是將理論基礎(chǔ)應(yīng)用到實際的施工設(shè)計和操作中還存在很多的問題，這極大地阻礙了高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的進(jìn)一步發(fā)展。
3.1高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的工作內(nèi)容復(fù)雜
相較于國外的高層建筑發(fā)展現(xiàn)狀而言，我國的高層建筑發(fā)展時間較短，因而還有很多的實踐理論在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計中較為缺乏，從基本國情出發(fā)，符合我國建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的軟件技術(shù)十分有限。但由于有較多的變量個數(shù)存在于高層建筑的結(jié)構(gòu)優(yōu)化之中，并且在結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度增大的情況下變量個數(shù)也會不斷增加，現(xiàn)有的軟件技術(shù)又難以有效地將被動變量和主動變量區(qū)分出來，只能夠簡單地將相對最優(yōu)解求出來，因而在這樣的發(fā)展背景下，難以促進(jìn)高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計在我國的進(jìn)一步發(fā)展。在多方調(diào)查后認(rèn)為，只有多次反復(fù)地尋找探索，才有可能將存在于結(jié)構(gòu)設(shè)計中的弊端一一解決掉。從總體上分析，極少有一次性設(shè)計高層建筑結(jié)構(gòu)成功的案例，文章所列舉的這一案例也是在多次反復(fù)的設(shè)計研究再設(shè)計以后才成功的，因而從這一方面便可以看出有較大的分析工作量存在于高層建筑的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計之中。
3.2過多的優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸
在建筑物結(jié)構(gòu)材料、幾何形狀以及荷載給定的情況下，將滿足于設(shè)計條件的最優(yōu)化構(gòu)件的截面求解了出來，卻在一定程度上將結(jié)構(gòu)整體的優(yōu)化工作給忽視了，但是從實際的研究證明中可以看出，更具有實踐和應(yīng)用意義的就是形狀優(yōu)化。簡單地說便是最優(yōu)結(jié)果的得到是不可能通過單純的優(yōu)化來實現(xiàn)的，其需要做到全方位的考慮。然而大多數(shù)的建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計的工作人員都認(rèn)為，只需要合理的方案設(shè)計和結(jié)構(gòu)布置，便可以在計算機軟件中將準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)尺寸計算出來，可見，對于軟土地基的設(shè)計并沒有太大意義，這對于設(shè)計結(jié)構(gòu)的最終結(jié)果自然也是難以保證的。
4優(yōu)化設(shè)計的措施
4.1合理設(shè)計方法的選擇
首先需要分析建筑物結(jié)構(gòu)的使用性質(zhì)，在各種變量的掌握下，將有效的設(shè)計方法提取出來，如：直接優(yōu)化或間接優(yōu)化。其中，材料耗量便是高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)，因而需要從構(gòu)建截面的大小尺寸上分析。針對于本次案例中所采取的直接優(yōu)化的設(shè)計方法，筆者認(rèn)為是合理的，其在已知目標(biāo)函數(shù)變量的情況下，滿足了一定約束的條件。在進(jìn)一步對高層建筑中結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化所具備的條件進(jìn)行分析以后發(fā)現(xiàn)，從現(xiàn)代化建筑設(shè)計的角度出發(fā)，滿應(yīng)立法的使用更加有利于優(yōu)化高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
4.2發(fā)展于桁架等桿設(shè)計中的滿應(yīng)力法
其作為準(zhǔn)則法的一種，是最容易理解、最容易操作的。其是在建筑結(jié)構(gòu)有規(guī)定幾何形狀和結(jié)構(gòu)的情況下，根據(jù)滿應(yīng)力法則的標(biāo)準(zhǔn)，對截面構(gòu)建的尺寸進(jìn)行修改，確保一次的應(yīng)力限值計算都是在最優(yōu)化的算法中進(jìn)行的。
4.3優(yōu)化設(shè)計的合理性
需要在實踐經(jīng)驗和常規(guī)做法的遵循下，將初始結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸確定出來，并在構(gòu)建分類的參照下，將有關(guān)于梁、柱及墻的數(shù)據(jù)庫分別建立起來；通過計算結(jié)果的提供，調(diào)整構(gòu)建截面的尺寸，并在位移條件的滿足之下，將構(gòu)件材料的性能有效地發(fā)揮出來。
5總結(jié)
綜上所述，為了更好地滿足人們的要求，與社會的發(fā)展相適應(yīng)，就必須進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化設(shè)計，在合理設(shè)計方式的選擇下，充分地將結(jié)構(gòu)構(gòu)件的作用發(fā)揮出來。
作者:張海良 單位:福建經(jīng)福建筑設(shè)計工程有限公司廈門分公司
參考文獻(xiàn):
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[3]曹鶴.基于綠色建筑的高層剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[D].西安：長安大學(xué),2015.
[4]姜勇.超高層建筑核心筒優(yōu)化設(shè)計研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué),2015.
第3篇
關(guān)鍵詞：高層建筑 結(jié)構(gòu) 特點 設(shè)計 原則 要求
中圖分類號： TU97 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
正文：
一、高層建筑結(jié)構(gòu)類型
高層建筑結(jié)構(gòu)體系按照結(jié)構(gòu)形式可以分為框架、剪力墻結(jié)構(gòu)，框架結(jié)構(gòu)，剪力墻結(jié)構(gòu)。框架結(jié)構(gòu)因為是利用柱、梁等結(jié)構(gòu)來承重的，所以這種結(jié)構(gòu)體系的側(cè)向位移相對較大，一般適用于低于50m的建筑。剪力墻結(jié)構(gòu)因為是靠高層建筑的墻體來承重的，所以這種結(jié)構(gòu)的整體性能相對較好，不易產(chǎn)生水平方向的變形，一般多應(yīng)用于高層建筑，但是因為其在平面上的布置不夠靈活，所以很少在公共建筑設(shè)計中使用。而框架、剪力墻組合結(jié)構(gòu)則是結(jié)合了兩者的優(yōu)點、改善了其中的缺點，所以被廣泛應(yīng)用于高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計中。
二、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計原則
2.1 選擇合適的基礎(chǔ)方案
現(xiàn)在的設(shè)計一大特色就是不能因工程而破壞周邊的環(huán)境，而改變的周邊的生態(tài)環(huán)境。一切的工程圍繞環(huán)境進(jìn)行設(shè)計施工，使工程與自然很好的融入到一起，使得兩者和諧共存。在基礎(chǔ)方案的設(shè)計中，要把所有的相關(guān)因素全部的包括在內(nèi)，綜合各方面的因素，再考慮經(jīng)濟性對工程進(jìn)行整體的評估，然后對方案進(jìn)行正式的審核，最后施工，一切立足由可持續(xù)發(fā)展的觀念進(jìn)行施工，工程的質(zhì)量一定會得以保障。
2.2 選擇合理的結(jié)構(gòu)方案
高層建筑作為近幾年剛剛興起的一門學(xué)科，具有很復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特點，在施工的過程中要考慮的方面很多，像是供水問題、線路等各方面都是我們要考慮的。結(jié)構(gòu)設(shè)計方案中重要的有以下幾點：材料的要求、施工的環(huán)境、還要充分的考慮抗擊自然災(zāi)害的能力。我們要嚴(yán)格的遵循平面和豎直的設(shè)計原則。結(jié)構(gòu)方案不僅僅是施工單位一方的事情，施工單位與使用方要達(dá)成一致，在設(shè)計方面以及今后的發(fā)展方向要進(jìn)行詳細(xì)的展望，為了所選取得結(jié)構(gòu)方案更加的合理，最大限度的達(dá)到預(yù)期的目的。
三、工程設(shè)計案例分析
某高層建筑設(shè)計使用功能為餐飲、辦公一體屬綜合性公共建筑。地下 2 層，裙樓 4 層，裙樓上南、北兩塔樓分別高 19 層(72.5m)、25 層(90.5m)。兩塔樓于 17、18、19 層連體（結(jié)構(gòu)上為兩塔樓分別懸挑梁處理）。
1. 結(jié)構(gòu)承重體系設(shè)計
根據(jù)國家抗震區(qū)劃圖, 待設(shè)計建筑地區(qū)的基本烈度為七度,相應(yīng)地主樓結(jié)構(gòu)部分的抗震等級為二級, 裙樓部分的抗震等級為三級。結(jié)構(gòu)設(shè)計中裙房部分主要考慮由恒載及使用活荷載等豎向荷載引起的荷載效應(yīng), 主樓部分結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅考慮豎向荷載效應(yīng), 還要考慮水平地震作用及風(fēng)荷載作用下產(chǎn)生的荷載效應(yīng)的組合。綜合考慮裙樓部分大空間的設(shè)計使用要求以及主樓部分的抗側(cè)移設(shè)計要求, 裙房結(jié)構(gòu)承重體系采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)形式,主樓采用框架- 剪力墻承重結(jié)構(gòu)體系。本建筑結(jié)構(gòu)在主樓抗側(cè)力構(gòu)件設(shè)計中, 剪力墻主要承擔(dān)水平作用,框架承擔(dān)少部分水平荷載作用和大部分豎向荷載作用。主樓平面形狀基本上為正方形,因樓梯、電梯間均設(shè)置在核心筒內(nèi),為提高主樓結(jié)構(gòu)的抗扭能力,剪力墻結(jié)合樓電梯間在主樓范圍內(nèi)采取了加強處理, 具體厚度根據(jù)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的變形限值,由剛度、承載力和延性三者間的最佳匹配決定。
2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計策略
鋼筋混凝土框架- 剪力墻結(jié)構(gòu)是高層建筑結(jié)構(gòu)中最常采用的承載體系之一,它同時具有框架結(jié)構(gòu)建筑平面布置靈活,能獲得大空間,建筑立面易于處理,以及剪力墻結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度大、整體性好、抗震能力強的優(yōu)點。在水平荷載作用下,具有較純框架和純剪力墻結(jié)構(gòu)更為有利的水平變形曲線。但鋼筋混凝土框- 剪結(jié)構(gòu)是一個具有雙重承載體系的非常復(fù)雜的空間受力體系,力學(xué)分析難度較大,其優(yōu)化設(shè)計就更為復(fù)雜和難以實現(xiàn)。所以,筆者以下謹(jǐn)通過已有的工程設(shè)計經(jīng)驗提出步驟性的建議，不作深入的學(xué)術(shù)探討。
2.1 框架結(jié)構(gòu)的分部優(yōu)化設(shè)計技術(shù)
鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)屬于具有多個多余約束的超靜定結(jié)構(gòu),其荷載效應(yīng)不僅與外荷載大小有關(guān), 還與結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料特征、幾何構(gòu)造特征有關(guān)。鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的分部優(yōu)化設(shè)計,即是在結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力分析完成后,根據(jù)梁柱各構(gòu)件的控制內(nèi)力進(jìn)行截面優(yōu)化設(shè)計,確定滿足荷載效應(yīng)水平要求的各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的幾何特征和配筋量的優(yōu)化結(jié)果,由此導(dǎo)致原結(jié)構(gòu)的幾何特征和荷載特征發(fā)生變化, 優(yōu)化結(jié)構(gòu)在現(xiàn)荷載作用下內(nèi)力分布特征發(fā)生變化,各構(gòu)件控制截面上的控制內(nèi)力也發(fā)生相應(yīng)變化,據(jù)此再進(jìn)行新一輪的優(yōu)化設(shè)計。因此框架結(jié)構(gòu)的分部優(yōu)化設(shè)計實際上是一個迭代、漸進(jìn)的尋優(yōu)過程, 計算結(jié)果雖不總能等價于整體優(yōu)化設(shè)計結(jié)果,但通常能給出工程實用的滿意結(jié)果。鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的分部優(yōu)化設(shè)計方法的具體步驟為:
（1）初始選型:根據(jù)結(jié)構(gòu)平面、立面布置及建筑物設(shè)計使用功能,分析結(jié)構(gòu)所受的豎向荷載和水平荷載及其傳力路線,并考慮施工因素,歸并框架梁、柱的類型,初選梁柱的幾何尺寸;
（2）結(jié)構(gòu)分析:按照結(jié)構(gòu)的實際幾何構(gòu)造特征,計算結(jié)構(gòu)所受豎向荷載及水平荷載,對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間內(nèi)力分析。根據(jù)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果,將截面尺寸相同的構(gòu)件的控制截面內(nèi)力,根據(jù)其大小進(jìn)行分類,并確定每一類構(gòu)件的設(shè)計控制內(nèi)力;
（3）截面優(yōu)化設(shè)計:針對每一種梁柱構(gòu)件的控制內(nèi)力進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計, 得出優(yōu)化約束條件下的結(jié)構(gòu)幾何構(gòu)造特征和配筋特征的優(yōu)化設(shè)計結(jié)果,從而構(gòu)成新的優(yōu)化意義上的設(shè)計結(jié)構(gòu);
（4）收斂性判斷:在工程精度意義上選取一個較小的數(shù)值,作為檢驗結(jié)構(gòu)收斂性的條件,進(jìn)行收斂性判斷。若優(yōu)化結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)基本一致,則認(rèn)為優(yōu)化結(jié)構(gòu)是收斂的,可以轉(zhuǎn)入下一步的可行性判斷,否則轉(zhuǎn)回第②步重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、優(yōu)化設(shè)計;
2.2 框- 剪結(jié)構(gòu)的三階段優(yōu)化設(shè)計策略
框- 剪結(jié)構(gòu)的設(shè)計主要涉及 3 個方面的優(yōu)化問題:①結(jié)構(gòu)最優(yōu)設(shè)防水平的決策,②框架與剪力墻結(jié)構(gòu)協(xié)同工作,以及承載力、剛度與延性變形能力間的最佳匹配設(shè)計,③框架- 剪力墻結(jié)構(gòu)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計問題。
高層框- 剪結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的協(xié)同工作問題,主要是水平荷載在框架和剪力墻結(jié)構(gòu)之間的分配設(shè)計, 因此剪力墻數(shù)量和位置的設(shè)計是關(guān)鍵問題。這里,我們將框- 剪結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計過程分為三個階段進(jìn)行,對不同階段的不同問題,采取不同的優(yōu)化準(zhǔn)則進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。
2.2.1 第一階段:最優(yōu)設(shè)防水平 Id的優(yōu)化決策
根據(jù)地震危險性分析結(jié)果或地震區(qū)劃規(guī)定, 在預(yù)測地震烈度概率分析基礎(chǔ)上, 用模糊綜合評判法計算結(jié)構(gòu)的模糊延性向量和模糊抗震強度、損傷等級概率和震害損失的預(yù)估期望值 E(Id),在滿足最大投資約束和最大損失約束條件下,使 k1C(Id)+k2k3E(Id)達(dá)到最小,求出最優(yōu)抗震設(shè)防烈度 Id。
2.2.2 第二階段:剪力墻構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計
剪力墻結(jié)構(gòu)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計主要是結(jié)構(gòu)剛度與延性指標(biāo)的最佳組合,可用力學(xué)準(zhǔn)則進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)構(gòu)剛度對結(jié)構(gòu)的影響主要為結(jié)構(gòu)的自振周期和側(cè)向位移, 結(jié)構(gòu)延性對結(jié)構(gòu)的影響主要為保持承載力前提下的變形能力。因此,可用結(jié)構(gòu)整體的側(cè)向位移量來協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)的剛度和延性。我們根據(jù)高層結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范對結(jié)構(gòu)層間位移和頂點總側(cè)移的限值來控制結(jié)構(gòu)的剛度設(shè)計和延性設(shè)計。
2.2.3 第三階段:框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計
框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計準(zhǔn)則是一個結(jié)構(gòu)準(zhǔn)則, 在一次整體分析完成之后,可按照前述方法對框- 剪結(jié)構(gòu)中的框架部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。
四、結(jié)語
總而言之，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方法多種多樣，但是不論使用哪一種方法都要建立在施工的可行性的基礎(chǔ)之上，施工技術(shù)必須嚴(yán)格依照設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，如果出現(xiàn)施工不可行的情況下，重新審視設(shè)計規(guī)范。高層建筑混凝土施工技術(shù)是科學(xué)元素和技術(shù)元素的融合和應(yīng)用，它的實現(xiàn)過程必然需要建筑施工各環(huán)節(jié)基礎(chǔ)技術(shù)的支持和管理理論的強化。所以，設(shè)計與施工的相輔相成才是實現(xiàn)合理、科學(xué)節(jié)約成本的有效措施。
參考文獻(xiàn)
[1] 孫 凱.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的問題及對策探討[J].價值工程，2011（06）.
