高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)體系優(yōu)選的探討

葉柏龍， 于萬秀，左 露

(中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410083)

高層建筑是近百年來發(fā)展起來的一種建筑形式，發(fā)展迅速，日新月異，很快成為反映城市經(jīng)濟(jì)繁榮和社會(huì)進(jìn)步的重要標(biāo)志。高層建筑投資大、建設(shè)周期長(zhǎng)，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以期獲得最優(yōu)結(jié)構(gòu)方案一直是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員所努力的方向，不僅對(duì)結(jié)構(gòu)受力的合理性、新型結(jié)構(gòu)形式的研究和推廣具有十分重要的科學(xué)意義，而且具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化選擇就是針對(duì)某一幢高層建筑,在建筑方案已經(jīng)確定的情況下,運(yùn)用科學(xué)的方法進(jìn)行比較分析,從而確定一個(gè)綜合經(jīng)濟(jì)效益最佳的結(jié)構(gòu)型式。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)型式

結(jié)構(gòu)體系是指結(jié)構(gòu)抵抗外部作用的構(gòu)件組成方式。而在高層建筑中，抵抗水平力是設(shè)計(jì)的主要問題，從而抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系的確定和設(shè)計(jì)成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。高層建筑按抗側(cè)力體系可分為以下幾種型式。

1．1 框架結(jié)構(gòu)

框架是由梁和柱子剛性連接的骨架結(jié)構(gòu)。框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：強(qiáng)度高，自重輕，整體性和抗震性好,不靠磚墻承重，建筑平面布置靈活，可以獲得較大的使用空間，所以它的應(yīng)用極為廣泛。

1.1.1 矩形柱框架結(jié)構(gòu)

矩形柱框架結(jié)構(gòu)采用框架梁、矩形柱組成的框架體系作為建筑豎向承重結(jié)構(gòu)，同時(shí)承受水平荷載。其特點(diǎn)是：空間大，靈活性好，使用方便。在住宅建筑中房間往往分隔不規(guī)則，柱網(wǎng)難以布置,由于整體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)、穩(wěn)定主要靠框架結(jié)構(gòu)本身，柱截面較大，可能會(huì)大于隔墻厚度，從而造成柱子外凸，影響家具布置和美觀。在受力方面，抗側(cè)力性能較差、剛度較低，在強(qiáng)震下容易產(chǎn)生震害。

1.1.2 異形柱框架結(jié)構(gòu)

異形柱框架結(jié)構(gòu)是指全部或部分柱截面為L(zhǎng)形、T形、十字形，截面高與肢厚之比小于或等于4的框架結(jié)構(gòu)，介于短肢剪力墻與矩形框架之間的一種結(jié)構(gòu)體系。異形柱結(jié)構(gòu)避免了框架柱在室內(nèi)凸出，少占建筑空間，使建筑更加美觀，為建筑設(shè)計(jì)及使用功能帶來靈活性和方便性，并且明顯提高了結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度。近年來異形柱結(jié)構(gòu)在建筑業(yè)界尤其是在住宅設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。

研究表明，異形截面柱與相同截面面積的矩形柱構(gòu)成的框架比較，框架的總抗側(cè)剛度約增加20%，建筑頂點(diǎn)水平位移約減少8%，這說明采用異形柱對(duì)結(jié)構(gòu)整體受力性能影響不大，對(duì)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)空間整體性、提高結(jié)構(gòu)抗風(fēng)、抗震性能是有利的。但也有不足之處，異形柱比普通矩形柱的變形能力低，易發(fā)生脆性破壞。

1.2 剪力墻結(jié)構(gòu)

剪力墻結(jié)構(gòu)是由一系列縱向、橫向剪力墻及樓蓋所組成的空間結(jié)構(gòu)，是高層建筑中常用的結(jié)構(gòu)形式。由于縱、橫向剪力墻在其自身平面內(nèi)的剛度都很大，在水平荷載作用下，側(cè)移較小，因此這種結(jié)構(gòu)抗震及抗風(fēng)性能都較強(qiáng)，承載力要求也比較容易滿足，適宜于建造層數(shù)較多的高層建筑。

1.3 剪力墻與其他結(jié)構(gòu)型式組合的幾種結(jié)構(gòu)體系

1.3.1 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)是指框架與剪力墻組合而成的結(jié)構(gòu)體系，既能靈活布置空間大小，又具有較大的側(cè)向剛度，廣泛用于層數(shù)較多、總高度較高的建筑，能夠滿足較多的建筑功能要求。對(duì)于地震區(qū)建筑，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)具有兩道抗震防線即剪力墻與框架。此外，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)仍然存在一些不足，由于功能要求，剪力墻布置位置可能會(huì)受到限制，不可避免地造成剛心、質(zhì)心不重合，產(chǎn)生偏心扭矩。同時(shí)，其側(cè)向剛度還是偏小，房屋建造高度受到限制。框架-剪力墻結(jié)構(gòu)在水平力作用下側(cè)向變形的特征為剪彎型(圖1)。

圖1 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)在水平力作用下的變形

1.3.2 異形柱框-剪結(jié)構(gòu)

鋼筋混凝土異形柱框-剪結(jié)構(gòu)兼有框架結(jié)構(gòu)空間布置靈活和剪力墻結(jié)構(gòu)剛度大、抗震性能好的優(yōu)點(diǎn)。這種結(jié)構(gòu)具有許多顯著的優(yōu)點(diǎn)：柱的平面布置可靈活多變，在建筑平面隔墻交叉點(diǎn)布置異形柱，根據(jù)結(jié)構(gòu)抗側(cè)力的需要，柱的數(shù)量可按需而定，墻肢長(zhǎng)短由計(jì)算確定，受建筑功能的限制較少，可滿足業(yè)主對(duì)大開間建筑的需要。近年來，在住宅、辦公樓等建筑中應(yīng)用日見增多。

1.3.3 框支剪力墻結(jié)構(gòu)

當(dāng)剪力墻結(jié)構(gòu)的底部需要有大空間，剪力墻無法全部落地時(shí)，就需要采用底部框支剪力墻的框支剪力墻結(jié)構(gòu)。其主要特點(diǎn)是：側(cè)向剛度在底層樓蓋處發(fā)生突變，在地震作用下可能會(huì)由于底層框架剛度太弱、強(qiáng)度不足、側(cè)移過大、延性不足而出現(xiàn)破壞，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌，造成嚴(yán)重后果。

1.4 筒體結(jié)構(gòu)

筒體結(jié)構(gòu)是將剪力墻或密集框架柱集中到房屋的內(nèi)部和外圍而形成的空間封閉式的筒體。其特點(diǎn)是：剪力墻集中而獲得較大的自由分割空間，四周的剪力墻圍成豎向薄壁筒和框架柱組成豎向箱形截面的框筒，形成整體，整體作用抗荷，適用于平面或豎向布置繁雜、水平荷載大的高層建筑。筒體結(jié)構(gòu)分筒體-框架、框筒、筒中筒、束筒四種結(jié)構(gòu)。

1.5 巨型結(jié)構(gòu)

巨型結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代高層或超高層建筑的一種嶄新體系，是指整幢結(jié)構(gòu)用巨柱、巨梁和巨型支撐等巨型桿件組成空間桁架，相鄰立面的支撐交匯在角柱，形成巨型空間桁架結(jié)構(gòu)。此類結(jié)構(gòu)能夠充分發(fā)揮材料性能，具有巨大抗側(cè)剛度及整體工作性能，可以滿足許多具有特殊形態(tài)和使用功能的建筑平立面要求，是一種非常合理的高層及超高層結(jié)構(gòu)形式，已越來越多應(yīng)用于工程實(shí)際中，前景廣闊。

2 結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化選擇

結(jié)構(gòu)選型是一個(gè)綜合性很強(qiáng)的半結(jié)構(gòu)化優(yōu)化決策問題，包含大量隨機(jī)性、模糊性和未確知性信息，對(duì)此要借助于先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和計(jì)算手段與技術(shù)，還要參與者要具備一定的相關(guān)學(xué)科的學(xué)識(shí)、經(jīng)驗(yàn)才能很好地完成結(jié)構(gòu)優(yōu)選的任務(wù)。

2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)選影響因素

高層建筑結(jié)構(gòu)體系選擇的影響因素眾多而且復(fù)雜，一個(gè)好的結(jié)構(gòu)形式的選擇，不僅要考慮建筑的使用功能、結(jié)構(gòu)上的安全合理、施工上的可能條件，還要考慮造價(jià)的經(jīng)濟(jì)和選型的美觀，有時(shí)結(jié)構(gòu)選型還受到投資者的影響。總的來說，將結(jié)構(gòu)選型的目標(biāo)影響因素可以歸為六類：結(jié)構(gòu)的功能適應(yīng)性、結(jié)構(gòu)的受力合理性、結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)有效性、結(jié)構(gòu)的施工方便性、結(jié)構(gòu)的抗災(zāi)減災(zāi)能力、結(jié)構(gòu)的美學(xué)效應(yīng)，具體如下圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)選型目標(biāo)影響因素

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)選方法

由于影響結(jié)構(gòu)體系選擇的各種因素具有不同的特征，可分為不同層次,有些因素是可量化的，還有部分因素可能是非確定性因素,具有隨機(jī)性和模糊性,難以量化,不易于比較，因此這些因素對(duì)方案取舍的影響程度也就會(huì)因參與人及決策者的學(xué)識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和主觀意向的不同而產(chǎn)生變化。

2.2.1 利用遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)初步選定結(jié)構(gòu)形式

將遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，綜合遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，形成遺傳神經(jīng)。在影響高層建筑選型的各方面因素中，提取可以量化的指標(biāo)，例如層高、層數(shù)、場(chǎng)地土性質(zhì)、設(shè)防烈度、最大風(fēng)壓、最大層間位移等作為輸入節(jié)點(diǎn)，高層建筑的結(jié)構(gòu)形式作為輸出節(jié)點(diǎn)，收集樣本，利用遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練和檢測(cè)。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的初期階段得到比較適合該建筑的結(jié)構(gòu)形式。

2.2.2 運(yùn)用模糊綜合評(píng)判評(píng)估已定結(jié)構(gòu)形式

高層建筑結(jié)構(gòu)選型是一個(gè)定性因素與定量因素相結(jié)合的問題，在設(shè)計(jì)初期階段利用遺產(chǎn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)考慮定量因素對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步選擇，對(duì)結(jié)構(gòu)選型時(shí)許多不可量化的影響因素，例如經(jīng)濟(jì)性、審美要求等，則可以在方案的評(píng)價(jià)階段利用基于層次分析法的模糊綜合評(píng)判方法考慮 。

由于結(jié)構(gòu)選型的復(fù)雜性和不確定性，單獨(dú)采用某一種結(jié)構(gòu)選擇方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)選可能會(huì)導(dǎo)致預(yù)測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確，失去了優(yōu)選的意義，而這種將遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊數(shù)學(xué)相結(jié)合的方法，合理全面的考慮了影響高層建筑的定性與定量因素，使選型更加科學(xué)、簡(jiǎn)明，更具有說服力。

3 結(jié)束語

文章主要探討了近期高層建筑結(jié)構(gòu)的基本型式、影響選型的因素與一種綜合選型方法。此外，除了文中提到的一些因素與方法以外，在具體建筑結(jié)構(gòu)的選型設(shè)計(jì)中還可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行一些例證，從中發(fā)現(xiàn)問題然后進(jìn)一步創(chuàng)新與改進(jìn)。

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