高層結(jié)構(gòu)核心筒布置設(shè)計(jì)優(yōu)化策略探究

張仕權(quán)

（寧波市交通房地產(chǎn)有限公司，浙江 寧波 315000）

由于人口數(shù)量的遞增，城市在現(xiàn)代化的進(jìn)程中，也出現(xiàn)了用地緊張的情況。在這樣的環(huán)境下，高層建筑得到了較為廣泛的運(yùn)用。從整體的角度而言，高層建筑也越來越被廣大的建筑同行所青睞，無論在城市改建，還是在擴(kuò)建的過程中，高層建筑都是首選的結(jié)構(gòu)模式。而核心筒結(jié)構(gòu)又是最為常用的模式結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵谶@樣的模式結(jié)構(gòu)之下，可以有效地達(dá)到穩(wěn)定性、安全性、抗震性等性能目標(biāo)。核心筒結(jié)構(gòu)本身具有一定的優(yōu)越性，可以達(dá)到高效使用的目的，在整個(gè)研究高層建筑中具有一定的實(shí)際意義。

1 核心筒結(jié)構(gòu)技術(shù)特征分析

從概念上看，核心筒結(jié)構(gòu)是利用樓梯建筑內(nèi)的電梯井道、通風(fēng)井、公共衛(wèi)生間等構(gòu)建中央核心筒，同時(shí)采用外圍框架形成框架核心筒結(jié)構(gòu)。從優(yōu)越性能的角度來看，這一結(jié)構(gòu)形式更加有利于承受的力量，同時(shí)也能夠強(qiáng)化建筑物整體結(jié)構(gòu)的抗震性能。從使用的普遍性角度而言，核心筒結(jié)構(gòu)在當(dāng)前的建筑物之中是運(yùn)用得最為普遍的形式，此外，還可以提高相關(guān)建筑物的空間利用率。在核心筒結(jié)構(gòu)應(yīng)用的過程中，有效地提高核心筒的抗側(cè)向剛度，可以強(qiáng)化樓體的抗震性能。就豎向以及水平方向的荷載情況來看，該核心筒結(jié)構(gòu)都起到了不可忽視的重要作用。框架-核心筒的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)在現(xiàn)代超限高層設(shè)計(jì)中有著重要的應(yīng)用，這一結(jié)構(gòu)能夠利用自身的優(yōu)勢(shì)減少多余荷載的承擔(dān)量，同時(shí)在一定范圍內(nèi)增加了一些建筑的面積，對(duì)于強(qiáng)化城市的土地利用率以及加大投資利用率都起到了強(qiáng)化的作用。核心筒由于自身的優(yōu)越性，受到了業(yè)界人士的青睞，并在高層以至超高層建筑群體中得到了廣泛的應(yīng)用。

2 分析核心筒結(jié)構(gòu)在高層設(shè)計(jì)中的應(yīng)用情況

2.1 針對(duì)高層設(shè)計(jì)抗震性能的核心筒結(jié)構(gòu)展開設(shè)計(jì)的過程

核心筒結(jié)構(gòu)的作用比較明顯，無論在水平側(cè)力的抵抗方面，抑或是豎向以及水平方向上的荷載量方面，都能夠起到一定的作用。同時(shí)，在對(duì)核心筒結(jié)構(gòu)間的抗側(cè)力剛度比展開分析的時(shí)候，需要留意到鉸接節(jié)點(diǎn)的重要性，并合理地加以配置，從而規(guī)避受力配備不均的現(xiàn)象，達(dá)到建筑物抗震的有效性。在這個(gè)過程中，額外地要把核心筒剛度和框架結(jié)構(gòu)剛度分配的比例加以考慮，從而規(guī)避核心筒剛度過度而出現(xiàn)混凝土墻體崩裂的后果。在科學(xué)合理分析的基礎(chǔ)上，來強(qiáng)化相應(yīng)的抗震效果。

從國際的視角來看，核心筒結(jié)構(gòu)具有一定的局限性，核心筒結(jié)構(gòu)建筑物并不適用于多發(fā)地震國家。筆者在搜集文獻(xiàn)資料的過程中，發(fā)現(xiàn)容易倒坍的建筑物反而是那些核心筒結(jié)構(gòu)過于強(qiáng)化的建筑。在這個(gè)環(huán)境下，框架結(jié)構(gòu)和核心筒結(jié)構(gòu)之間的框架結(jié)構(gòu)并不吻合，容易造成裂縫的現(xiàn)象，并影響到建筑物的恒穩(wěn)性，進(jìn)而會(huì)出現(xiàn)一系列的事故，這在地震多發(fā)地（譬如日本）更為明顯。因此，在實(shí)際的運(yùn)用過程中，均會(huì)采取必要的審批的制度，并出臺(tái)了相應(yīng)的條規(guī)。在一些經(jīng)常發(fā)生地震的地帶應(yīng)該全面地考慮到這一結(jié)構(gòu)的重要性及其范圍，從而保障建筑物的安全性。

就我國實(shí)際的情況來看，為了更好地適應(yīng)抗震的環(huán)境，對(duì)建筑工程的經(jīng)濟(jì)因素并沒有實(shí)際考慮，同時(shí)，對(duì)核心筒結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)該從實(shí)際應(yīng)用的角度來加以分析，尤其是核心筒建筑自身結(jié)構(gòu)的特征，從而考慮到建筑物的經(jīng)濟(jì)性因素。在實(shí)際的應(yīng)用中，經(jīng)常將鋼架密柱方案運(yùn)用到外圍框架的結(jié)構(gòu)體系之中。其目的在于強(qiáng)化核心筒建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及抗側(cè)向剛度，進(jìn)而削減對(duì)混凝土墻地壓應(yīng)力。

2.2 探析高層設(shè)計(jì)中風(fēng)荷載和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況

在高層建筑的設(shè)計(jì)過程中，同樣需要考慮到建筑物的風(fēng)荷載水平情況，并對(duì)其進(jìn)行分析、計(jì)算與論證。利用框架-核心筒混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)使結(jié)構(gòu)整體能夠在風(fēng)荷載作用下有效控制建筑物的受力，從而減少不同層次之間可能出現(xiàn)的位移現(xiàn)象。

在具體的研究過程中，通常采用應(yīng)力的方式來加以研究，其目的在于更為全面地保障建筑物的穩(wěn)定性。同時(shí)不能忽視側(cè)向變形、振動(dòng)等對(duì)研究建筑物展開分析的作用，包括風(fēng)壓及其高度異化的系數(shù)、風(fēng)荷載體型系數(shù)和風(fēng)振系數(shù)，強(qiáng)化高層抗側(cè)向的變形程度。此外，還應(yīng)該關(guān)注到抗側(cè)向形變和抗震性能之間的衡穩(wěn)狀態(tài)，通過科學(xué)性的分析，從而強(qiáng)化其科學(xué)化的分配，包括剛度與應(yīng)力。

3 以核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)為指導(dǎo)進(jìn)行超限高層設(shè)計(jì)

在現(xiàn)代高層核心筒建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系之中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該針對(duì)核心筒本身的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，進(jìn)而在基于核心筒設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，同樣地考慮到相關(guān)結(jié)構(gòu)的布置，包括框架及其框架梁、樓蓋、框架剪力墻等內(nèi)容，從而構(gòu)建起相應(yīng)的結(jié)構(gòu)體系。

在核心筒設(shè)計(jì)的過程中，最先應(yīng)該確認(rèn)的是核心筒在全部結(jié)構(gòu)中的重要地位。對(duì)于高層建筑物，也應(yīng)該保證筒體的寬度超過全高的1/12。同時(shí)還要關(guān)注到剪力墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。在設(shè)計(jì)過程中需要針對(duì)核心筒設(shè)計(jì)要求對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)要點(diǎn)、連梁等進(jìn)行計(jì)算與設(shè)計(jì)，確保超限高層的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要注重控制結(jié)構(gòu)的周期與位移，利用墻加大量等方式增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度。針對(duì)超限高層結(jié)構(gòu)需求進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。另外，超限高層框架-核心筒設(shè)計(jì)中還應(yīng)對(duì)框架梁支撐條件進(jìn)行確定。沿梁軸線方向有墻時(shí)剛接。核心筒外墻厚度大于0.4Lae（且內(nèi)側(cè)樓板不開洞）。梁支撐處有柱時(shí)剛接。如若出現(xiàn)不能夠滿足以上條件的梁則應(yīng)該進(jìn)行鉸接。通過設(shè)計(jì)工作的針對(duì)性，確保超限高層結(jié)構(gòu)等穩(wěn)定性，確保超限高層核心筒建筑物結(jié)構(gòu)的安全性。

除注重上述規(guī)范、要點(diǎn)與設(shè)計(jì)過程中應(yīng)遵循的基本原則外，超限高層設(shè)計(jì)過程中還要針對(duì)框架-核心筒結(jié)構(gòu)在超限高層應(yīng)用中樓蓋設(shè)計(jì)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。在樓蓋設(shè)計(jì)中應(yīng)注重核心筒外緣樓板不能開洞口、核心筒內(nèi)部樓板，厚度≥120mm，雙層雙向配筋。樓面梁不宜支承在核心筒外圍的連梁上。通過針對(duì)框架-核心筒結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及超限高層需求進(jìn)行超限高層框架-核心筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，促進(jìn)我國城市土地利用率的提高。另外，為了保障超限高層結(jié)構(gòu)的抗震性能，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中還需要針對(duì)抗震等級(jí)要求進(jìn)行框架剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算，保障超限高層結(jié)構(gòu)的抗震性能。

4 核心筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論

4.1 基本假設(shè)

（1）將樓層建筑物約減為均化分布于樓層高度上的連續(xù)性桿子，同時(shí)，將各個(gè)豎向上的零件視作一個(gè)整體，且基于梁來加以分析，通過連續(xù)連桿將其結(jié)合在一起，成為一個(gè)不可分割的整體。

（2）假設(shè)材料限定于彈性范圍之內(nèi)，且將結(jié)構(gòu)的P-D實(shí)效。

（3）假設(shè)建筑物的結(jié)構(gòu)處于同一樓層之處，相應(yīng)的標(biāo)高處的水平位移具有等值量。

（4）假設(shè)實(shí)際結(jié)構(gòu)與連續(xù)性模型具有同等的總位能數(shù)值。核心筒建筑結(jié)構(gòu)的簡化模型以及水平連續(xù)化模型分別如圖1、圖2所示：

4.2 優(yōu)化方法

由于要確切地對(duì)高層建筑物的抗側(cè)力效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，難以通過常規(guī)性的數(shù)學(xué)公式加以計(jì)算，因此在本論文中，主要是從最優(yōu)準(zhǔn)則法以及遺傳算法兩個(gè)主要的途徑來加以研究。

（1）最優(yōu)準(zhǔn)則法。該方法主要是通過規(guī)范化、工程經(jīng)驗(yàn)、力學(xué)定義以及數(shù)學(xué)規(guī)劃的最優(yōu)化等多個(gè)角度來加以分析，從而構(gòu)建某種準(zhǔn)則，并基于相應(yīng)的迭代方法來求解，從而得到了相應(yīng)的解答，其主要的模式結(jié)構(gòu)如下所示：

在上述目標(biāo)函數(shù)的環(huán)境下，可以得出關(guān)于最優(yōu)設(shè)計(jì)的恰當(dāng)解，其途徑包括質(zhì)量最輕、材料最少、受力最小等，求得最優(yōu)抗側(cè)力的數(shù)值，從而達(dá)到核心筒布置的最優(yōu)化方案。同時(shí)，該方法的優(yōu)點(diǎn)也比較明顯，即凸顯出分析的重要性，同時(shí)可以減少一些次數(shù)，也可以達(dá)到一定的收效，即使問題規(guī)模地拓展，也并不會(huì)對(duì)計(jì)算的結(jié)果造成明顯的后果。

當(dāng)然，從實(shí)際的情況來看，該類方法具有一定的局限性，即由于約束條件的不同，也會(huì)相應(yīng)地帶來不同的檢測(cè)準(zhǔn)則，因此，其限制性條件較大。

（2）遺傳算法。該類方法具有鮮明的生物模擬性特征，在這樣的環(huán)境下，相應(yīng)地可以創(chuàng)設(shè)出新的搜索優(yōu)化方案，從相匹配的方法來看，具有簡明易行的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)步驟也顯得比較規(guī)范、科學(xué)，從適應(yīng)的范圍來看，該方法更適用于規(guī)模較大、非線性、非連續(xù)性的多峰函數(shù)，同時(shí)，也與目標(biāo)函數(shù)處于二者分離的狀態(tài)，接口編程也易達(dá)到。

當(dāng)然，該方法也同樣具有一定的不足之處，譬如，統(tǒng)計(jì)意義的成立是該方法成立的前提條件，同時(shí)，在具體展開實(shí)際優(yōu)化的過程中，其運(yùn)行的效率并不高，且其運(yùn)用的范圍并不廣泛，尤其是所研究的課題難度和規(guī)模在拓展之際，相應(yīng)的計(jì)算時(shí)間也發(fā)生了遞增的現(xiàn)象，更加深了運(yùn)用的廣度與實(shí)用性。

5 結(jié)論

經(jīng)過以上的分析可知，在我國城市發(fā)展建設(shè)的過程中，高層建筑物的建設(shè)需要以科學(xué)理論為指導(dǎo)，對(duì)核心筒建筑結(jié)構(gòu)的特征有較為系統(tǒng)的研究，根據(jù)實(shí)際情況來分析其在建筑物中的實(shí)際運(yùn)用，分析其在高層中的實(shí)際運(yùn)用情況，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的優(yōu)化方案，從而提高其具體運(yùn)用的實(shí)用性、抗震性以及穩(wěn)定性，并進(jìn)而提高建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性。

[1]李國立.框架-核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求與設(shè)計(jì)要點(diǎn)[J].建筑工程信息資訊，2010，9.

[2]王崇麗.高層核心筒設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析[J].工程設(shè)計(jì)信息，2010，4.

[3]鄭宇林.超限高層框架核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析與探討[J].工程建筑施工與設(shè)計(jì)，2009，10.

[4]陳慧穎.超限高層框架核心筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中剪力墻設(shè)置探析[J].建筑新技術(shù)，2010，8.

[5]柳敬梓.框架核心筒結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代超限高層設(shè)計(jì)的應(yīng)用分析[J].建筑結(jié)構(gòu)工程資訊，2010，11.