高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析研究

周末 關(guān)懷

1.大連市建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院股份有限公司 遼寧大連 116000

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1 混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的意義

任何一個(gè)項(xiàng)目的開(kāi)工建設(shè)都要經(jīng)過(guò)策劃、設(shè)計(jì)、施工等三個(gè)環(huán)節(jié)，在這三個(gè)環(huán)節(jié)中，雖然設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中的總成本在整個(gè)項(xiàng)目中成本占1%-2%，而設(shè)計(jì)階段對(duì)于整個(gè)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性存在最為直接的影響，其可以影響整個(gè)項(xiàng)目70% 以上的成本，所以，在施工中需要合理地進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化配置。但是目前的工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，應(yīng)該進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置，也可能是因?yàn)楣こ塘烤薮蟆⒃O(shè)計(jì)任務(wù)繁重、時(shí)間緊張等問(wèn)題，在確定結(jié)構(gòu)方案只是通過(guò)人為經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定，造成了方案的經(jīng)濟(jì)性無(wú)法滿足需要，最終導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案難以達(dá)到科學(xué)性與合理性的要求。截至目前，還沒(méi)有一個(gè)能夠使用到大多數(shù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，很多情況下需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚恚罱K保證其結(jié)構(gòu)性能達(dá)到承載性能的需要，這就是最優(yōu)解，也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心[1]。

2 優(yōu)化原則

進(jìn)行高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)，必須在一定的基本原則下進(jìn)行才可以保障所設(shè)計(jì)的優(yōu)化措施能夠切實(shí)達(dá)到優(yōu)化的效果和目的，具體而言，在高層混凝土建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化中，必須遵從以下基本原則：①安全使用原則，即在結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，必須保障建筑的正常使用和使用安全，不能出現(xiàn)部分功能優(yōu)化后導(dǎo)致整個(gè)建筑的其他功能不能正常使用，或使用安全性不足的問(wèn)題出現(xiàn)；②局部加強(qiáng)，應(yīng)保障整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)在剛度上的合理，在一些關(guān)鍵承力部分應(yīng)進(jìn)行局部加強(qiáng)；③有效核減，即盡可能地對(duì)部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸進(jìn)行減小，對(duì)整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的核減，一方面減少建筑的自重，降低地震作用和對(duì)地基的壓力，另一方面也降低建筑成本。

3 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)類(lèi)型分析

①混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土結(jié)構(gòu)主要通過(guò)鋼筋以及混凝土構(gòu)成，通過(guò)混凝土建造主要包括了大模板現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)以及薄殼結(jié)構(gòu)、應(yīng)用滑模、升板等相關(guān)構(gòu)造的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，是主要的承重構(gòu)件。此種類(lèi)型的結(jié)構(gòu)整體性良好，具有耐高溫、位移較小，成本較低以及剛度較大的特征。隨著混凝土增強(qiáng)材料技術(shù)在不斷的發(fā)展，混凝土等高強(qiáng)度的混凝土技術(shù)手段在不斷的發(fā)展，在多數(shù)的高層建筑結(jié)構(gòu)中廣泛地應(yīng)用了混凝土結(jié)構(gòu)。②組合結(jié)構(gòu)，組合結(jié)構(gòu)就是混凝土組合結(jié)構(gòu)與組合砌體結(jié)構(gòu)構(gòu)件構(gòu)成。組合結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)具有一定的差異性。相對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，可以有效地節(jié)約建筑施工需要的成本，其科技含量較高，組合結(jié)構(gòu)中將混凝土填充在結(jié)構(gòu)之中，可以有效地提升整體的承載能力，可以節(jié)省鋼材。③新型結(jié)構(gòu)，高層建筑結(jié)構(gòu)體系中剪力墻體系以及框架體系是較為常見(jiàn)的類(lèi)型。新型的結(jié)構(gòu)體系可以分為筒中筒體系、框筒體系以及束筒體系三種類(lèi)型。相對(duì)于傳統(tǒng)的單片平面結(jié)構(gòu)體系，新型的結(jié)構(gòu)體系中具有較強(qiáng)的抗側(cè)剛度，其承載力更大。④智能建筑結(jié)構(gòu)，智能化建筑結(jié)構(gòu)在高層建筑中應(yīng)用相對(duì)較少，是一種融合高新技術(shù)產(chǎn)品的建筑結(jié)構(gòu)。在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中，人們的生活水平在不斷地提高，這些建筑結(jié)構(gòu)在不斷地完善，建筑系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)體系以及服務(wù)管理在不斷地完善優(yōu)化，為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了有效的技術(shù)支持[2]。

4 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 形狀優(yōu)化

形狀優(yōu)化主要是將結(jié)構(gòu)形狀的邊界作為變量，在進(jìn)行邊界點(diǎn)的匯集之后，然后利用這些點(diǎn)進(jìn)行形狀優(yōu)化，其主要是應(yīng)用到網(wǎng)架、桁架等結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計(jì)中。但是在應(yīng)用的過(guò)程中，其變量比較多，優(yōu)化之后的邊界點(diǎn)不能達(dá)到光滑性、連續(xù)性的要求，雖然應(yīng)用參數(shù)化的設(shè)計(jì)可以有效地解決該問(wèn)題，但是其截面與形狀兩個(gè)變量，工作量會(huì)比較大，這種優(yōu)化方式還需要完善。

4.2 框架- 剪力墻優(yōu)化設(shè)計(jì)

框架- 剪力墻優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)在建筑整體優(yōu)化設(shè)計(jì)原則下進(jìn)行，逐步對(duì)各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化，繼而達(dá)到結(jié)構(gòu)受力合理化，節(jié)約投資的目的。具體而言，需要注重對(duì)框架、剪力墻的協(xié)同作用進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)延性、剛度、承載力的最優(yōu)化匹配設(shè)計(jì)。剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要考慮結(jié)構(gòu)延性和結(jié)構(gòu)剛度的最佳組合。其中結(jié)構(gòu)延性主要是對(duì)建筑物在保持承載能力前提下的變形能力，結(jié)構(gòu)剛度則是對(duì)建筑物的側(cè)向位移和自振周期產(chǎn)生影響。在優(yōu)化工作方面，應(yīng)根據(jù)抗震等級(jí)按規(guī)范采取抗震構(gòu)造措施、滿足規(guī)范彈塑性層間位移角限值，并滿足彈性層間位移角的限值實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土建筑結(jié)構(gòu)在延性和剛度上的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.3 高層建筑結(jié)構(gòu)豎向布置分析

高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過(guò)程中，豎向結(jié)構(gòu)會(huì)直接影響建筑結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量。高層建筑進(jìn)行豎向設(shè)計(jì)分析過(guò)程中，要保障建筑結(jié)構(gòu)整體的均勻性與規(guī)則性，如果沒(méi)有特殊性的要求，則要避免出現(xiàn)內(nèi)收與外挑的設(shè)計(jì)。要綜合建筑重心以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等因素，根據(jù)上小下大的基礎(chǔ)原則合理地進(jìn)行建筑豎向結(jié)構(gòu)的合理布置，建筑結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過(guò)程中要保障其側(cè)向變化的均勻性、緩慢性。如果建筑結(jié)構(gòu)的豎向結(jié)構(gòu)為內(nèi)收結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中為了滿足高層建筑的抗震性需求，就要保障樓層的側(cè)向剛不不低于臨近上下樓層的側(cè)向剛度的70%，或者不低于鄰近3 層側(cè)向剛度平均值的80%，如果高層建筑結(jié)構(gòu)位于樓層上部的時(shí)候，樓層縮進(jìn)位置與室外地面高度、建筑整體高度比值高于0．2，保障樓層上部縮進(jìn)之后長(zhǎng)度的樓層下部長(zhǎng)度要高于75% 以上[3]。

5 結(jié)語(yǔ)

高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過(guò)程中穩(wěn)定性是較為關(guān)鍵的因素，根據(jù)實(shí)際狀況了解關(guān)鍵參數(shù)，制定有效的方案可以在根本上保障建筑混凝土的穩(wěn)定性，保障其滿足內(nèi)在的設(shè)計(jì)要求與需求。