高層建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計探究

馮義波 李琦

淄博市規(guī)劃設計研究院

摘要：隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和人民生活水平的提高，高層建筑的發(fā)展呈現(xiàn)出欣欣向榮的景象。建筑技術(shù)的進步、電氣化、機械化、電子計算機在建筑中的發(fā)展普及、高強輕質(zhì)材料的不斷創(chuàng)新等為高層建筑的發(fā)展提供了結(jié)實的物質(zhì)基礎。在這個前提下，如何利用好各種優(yōu)勢資源，將資源優(yōu)化組合，發(fā)揮其最大的功效，節(jié)省建設投資，是相關(guān)工程人員必須認真思考的問題。

1.高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計概述

1.1建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的概念

建筑的結(jié)構(gòu)設計是建筑結(jié)構(gòu)設計工程師對所要施工建筑的外形和空間構(gòu)造的表達，分上部結(jié)構(gòu)設計和基礎設計兩部分。而建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計是指設計的建筑結(jié)構(gòu)在滿足約束需求條件下，按預定目標設計出最優(yōu)化方案的設計方法。

1.2優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設計的目的

建筑是時代發(fā)展的產(chǎn)物，是提供人類生產(chǎn)和生活需求的必備場所，所以優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計的目的就是：在現(xiàn)有技術(shù)基礎上，用最經(jīng)濟、最優(yōu)化的手段來獲得預定條件下滿足設計所預期的各種功能的要求，這些要求包括：

（1）滿足耐久性和安全性要求。結(jié)構(gòu)耐久性和安全性是住宅結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計最基本的要求，選擇的結(jié)構(gòu)體系的選擇和選用的材料，必須有利于抗風、抗震、抗洪以及方便使用壽命期間的改造維修，在偶然事件發(fā)生仍能保持其結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和耐用性。

（2）滿足使用性的要求。即進行結(jié)構(gòu)方案設計時應以更好地滿足人們對建筑使用性和舒適性的要求為目的，充分考慮結(jié)構(gòu)中各類與之相關(guān)的問題，做到面面俱到。

（3）滿足經(jīng)濟性的要求。即結(jié)構(gòu)設計時應根據(jù)建筑的建造地點、規(guī)模大小、高度多少等，在滿足耐久性、安全性和使用性要求的前提下，精打細算采用經(jīng)濟又合理的優(yōu)化結(jié)構(gòu)體系，以起到節(jié)約成本的功效。

2.建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計的原則

建筑結(jié)構(gòu)的設計不但只是建筑結(jié)構(gòu)的本身，還有建筑經(jīng)濟的效益、居住舒適度與建筑空間使用率。因此，建筑結(jié)構(gòu)應嚴格依據(jù)相關(guān)的原則進行設計。

（1）令不規(guī)則建筑的平面布置出現(xiàn)規(guī)則結(jié)構(gòu)的效應原則。在建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計過程中，應按照不同的功能需求，調(diào)節(jié)墻肢的長短與墻柱的布局，令建筑結(jié)構(gòu)起到安全使用的作用。

（2）提升建筑居住的舒適度原則。建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計出發(fā)點與落腳點是建筑的居住舒適度，因此，為提升建筑居住的舒適度，需優(yōu)化設計建筑的結(jié)構(gòu)、裝飾裝修以及電氣的安裝等各個方面。

（3）確保建筑結(jié)構(gòu)的整體安全性原則。建筑結(jié)構(gòu)的整體安全性體現(xiàn)于對建筑抗震的設計，而其在建筑抗震的設計規(guī)范中有明確的標準。因而，需確保建筑結(jié)構(gòu)的設計能達到各個部件的承載能力，進而達到建筑結(jié)構(gòu)能安全經(jīng)濟、耐久使用的目的。

（4）建少建筑結(jié)構(gòu)的造價原則。在確保建筑結(jié)構(gòu)的整體性能可以符合指標的情況下，需著重考慮建筑經(jīng)濟性。

3.高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計中存在的問題

3.1只重視結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化，而忽視結(jié)構(gòu)整體的優(yōu)化

這種優(yōu)化形式在給定的集合形狀、材料和拓撲的情況下，只需要計算出最優(yōu)構(gòu)件界面即可。但是從理論上和實踐應用上，結(jié)構(gòu)的整體優(yōu)化意義遠強于結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化，若僅采用尺寸優(yōu)化，就不可能得出最優(yōu)的結(jié)果，因此整個設計就不夠使人完全滿意和令人信服。這種設計誤區(qū)的表現(xiàn)形式為，設計人員在設計的過程中，對建筑體的上部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化不夠重視。其認為上部結(jié)構(gòu)對于下部結(jié)構(gòu)（地基部位或地下室）特別是軟土地基的意義不大，所以在處理上部結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)時，往往只是簡單地采用電子計算機軟件來進行數(shù)據(jù)分析，對于構(gòu)件截面的設計只要求滿足規(guī)范即可。因而在設計的過程中，上部結(jié)構(gòu)的截面優(yōu)化所能達到的經(jīng)濟效應沒有被予以足夠的重視。

3.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目標不能完全達到建設工程的標準

在高層建筑的實際結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)的復雜程度超出了人的想象范圍，所以實際結(jié)構(gòu)的問題相當復雜，其中存在很多節(jié)點，例如：約束條件多、設計變量多、建筑功能限制優(yōu)化等難點。由于多種不確定因素的干擾，使得目標函數(shù)在處理過程中往往會遠離準確的結(jié)果，最后建立起的數(shù)據(jù)模型只能是將結(jié)構(gòu)設計做到相對的優(yōu)化。在目前的計算機軟件領(lǐng)域中，還沒有開發(fā)實用性相對較高的高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析軟件，通過目前通用的計算軟件，僅僅依靠幾次簡單的計算，并不能將截面的優(yōu)化設計計算到最佳效果，所以，這種優(yōu)化方式并不是最合適的方法。在許多的高層建筑優(yōu)化設計當中，結(jié)構(gòu)布置和方案是比較合理的，截面設計也是常用尺寸，但是在分析計算后，一些薄弱環(huán)節(jié)依然存在，為了改善受力分布，以增大構(gòu)件面積，卻不能很好的起到應有的效果，反而浪費了耗材。

4.高層建筑中的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

4.1房屋結(jié)構(gòu)周期性折減系數(shù)

房屋框架結(jié)構(gòu)和頂蓋等結(jié)構(gòu)設計中，因為填充墻體存在使結(jié)構(gòu)實際表現(xiàn)剛度大于設計計算剛度，計算周期也會大于實際周期，所以當算出結(jié)構(gòu)剪力偏小時，會使房屋的某些結(jié)構(gòu)不安全，而應該對房屋結(jié)構(gòu)計算周期適當?shù)倪M行折減，這樣能達到很好的效果，但是對于房屋框架結(jié)構(gòu)，計算的周期不宜折減或折減系數(shù)取小。

4.2耐久性的優(yōu)化設計

在之前大部分混凝土結(jié)構(gòu)設計方案中，很多沒有充分考慮到建筑結(jié)構(gòu)設計耐久性，也就是保證高層建成之后，在合理使用期限內(nèi)，要能滿足用戶正常使用要求。但是很多的設計未能達到，造成此現(xiàn)象的根本原因是沒有充分考慮到建筑結(jié)構(gòu)在使用的過程中，由于遭受條件和使用環(huán)境變化最終造成房屋結(jié)構(gòu)損傷，引起房屋可靠度指數(shù)下降。對一般高層混凝土結(jié)構(gòu)設計來說，低造價和省材料設計都應為滿意的結(jié)構(gòu)設計，但隨著人們生活水平的提高和在實際工程中，有時在其他使用要求或技術(shù)指標上升為設計主要矛盾時，設計者們就要放棄對經(jīng)濟的單純追求。所以當選以高層混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化為設計的主要目的時，就應依據(jù)設計所要面對的關(guān)鍵性問題，分清主次，選多目標或單目標來實施優(yōu)化，達到滿意效果。

4.3房屋結(jié)構(gòu)抗震性設計

在工程圖紙設計過程中，房屋結(jié)構(gòu)按抗震設防分類，房屋抗震等級可根據(jù)房屋高度、烈度以及結(jié)構(gòu)類型按國家《抗震規(guī)范》確定。地震震力振型組合數(shù)據(jù)對建筑應當不考慮耦聯(lián)扭轉(zhuǎn)計算；當振型數(shù)大于3的時候，應取3的整數(shù)倍計算，但數(shù)據(jù)不能大于建筑物層數(shù)；當房屋層數(shù)不大于2時，振型數(shù)則可取房屋層數(shù)。對于不規(guī)則房屋的結(jié)構(gòu)，應考慮扭耦聯(lián)轉(zhuǎn)，對高層房屋建筑來說，振型數(shù)應取不小于9；房屋結(jié)構(gòu)層數(shù)多或房屋結(jié)構(gòu)剛度突變系數(shù)大的話，振型數(shù)則應多取，例如結(jié)構(gòu)中含多塔結(jié)構(gòu)或頂部有小塔樓和轉(zhuǎn)換層等，振型數(shù)應取不小于12的數(shù)，但其大小仍不能大于房屋總層數(shù)3倍，除非其含有彈性定義的樓板，而且采取總剛性分析的時候，振型數(shù)才能夠取的更大。

4.4地下室的層數(shù)處理

多層房屋框架結(jié)構(gòu)房屋一般都設置地下室結(jié)構(gòu)。由于隔墻較少，故常采用的是板筏基礎。設計計算時將上部結(jié)構(gòu)與地下層數(shù)結(jié)合在一起，并在圖紙中按實際的地下室的層數(shù)計算。如此一來，計算基礎底板以及地基縱向荷載可一次設計完成。同時通過側(cè)層移剛度性系數(shù)比較，可以調(diào)整和判斷房屋相應嵌固位置，適當加固構(gòu)造措施，保證樓板最小配筋率和厚度。當房屋結(jié)構(gòu)縱向不規(guī)則時，要驗算其最薄弱層。

4.5合理使用高強鋼筋與高強混凝土

高層建筑的總造價一般都包括框架結(jié)構(gòu)材料、施工和基礎的物料費用等，其中用鋼量以及構(gòu)筑件截面積對房屋造價影響較大，故在建筑設計中合理使用高強混凝土與高強度鋼筋可有效降低用鋼量，節(jié)約建筑成本。若高層建筑設計位于厚軟的地基上，那么由于坐落在地基上的荷載大，合理使用高強鋼筋和高強混凝土來優(yōu)化構(gòu)件的截面積，減輕結(jié)構(gòu)重量，將會顯著降低工程造價及基礎設施施工難度，取得較好經(jīng)濟效果。對于震區(qū)的高層樓房來說，地震力作用的大小與建筑物的自重相關(guān)，人為地減輕建筑物的自重，降低結(jié)構(gòu)在地震的荷載，可提高建筑物的安全性。在設計中高效地使用高強鋼筋及高強混凝土，能快速有效的縮小梁墻板柱等構(gòu)件截面積，達到建筑造價目的。

5.總結(jié)語

總而言之，高層建筑的結(jié)構(gòu)設計是一項相當繁重的任務，設計師在設計時在設計時應考慮的問題很多，需充分應用自己的理論知識，結(jié)合自己多年豐富的經(jīng)驗，按照需求，科學的計算設計出符合的建筑，并對其進行一定優(yōu)化完善，保證建筑的安全與經(jīng)濟。