建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法及應(yīng)用探討

馬 強

(陜西恒瑞建筑設(shè)計工程有限公司，陜西 西安 710004)

0 引言

建筑結(jié)構(gòu)體系與經(jīng)濟、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展均存在緊密的關(guān)聯(lián)。古代建筑結(jié)構(gòu)具有笨重、內(nèi)部使用空間狹小的特點，自19世紀80年代工業(yè)化改革后，建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部使用空間逐步擴大，以鋼材與混凝土材料相結(jié)合的不同類型新型結(jié)構(gòu)體系持續(xù)涌現(xiàn)，開啟了現(xiàn)代工程建筑結(jié)構(gòu)的新歷程。但是，在當前建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中仍然存在性能分析不足、外部框架抗剪力與內(nèi)部剛度矛盾顯著等問題，影響了建筑行業(yè)發(fā)展。基于此，探討建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法至關(guān)重要。

1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計項目概述

某建筑為高層商業(yè)辦公綜合樓，包括商業(yè)裙房(7層)、超高層辦公樓(35層)、地下室(3層)幾個部分。建筑總用地面積為25 631 m2，地上建筑面積為17 562 m2。建筑塔樓擬采用Low玻璃為主的外圍護結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50年，基本風(fēng)壓依據(jù)基本風(fēng)壓值為0.6 kN/m2的100年重現(xiàn)期的風(fēng)壓，抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防類(乙類)，設(shè)計基本地震加速度值為0.1 g，地面粗糙度類別設(shè)定為C類。

2 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法

2.1 開發(fā)設(shè)計模型集成框架

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計模型集成的最終要求是涵蓋建筑全生命周期數(shù)據(jù)信息。比如對于開有門和窗的一段墻體，其對應(yīng)的模型集成框架需要涵蓋門、窗、墻等對象，具體信息為：類型、面積、寬/高、長/高、洞口面積、洞口數(shù)量、高/厚度以及界面屬性、材料、高×寬、受力特性、鋼筋布置等。建筑模型在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計階段處于支配地位，由此產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息可以被結(jié)構(gòu)設(shè)計所提取、集成，為建筑二次建模設(shè)計提供支持[1]。以基于BIM技術(shù)的建筑結(jié)構(gòu)信息模型ASIM為例，可以Auto-desk的Revit、Graphisoft的ArchiCAD為例，可以IFC支撐下的標準數(shù)據(jù)模型格式為數(shù)據(jù)對象表達基礎(chǔ)，容納建筑對象材料、建筑基本繪圖信息、造價信息為依據(jù)，開展完整建筑模型集成框架的構(gòu)建。具體建模流程為：在IFC標準約束下，接入基于DXF設(shè)計軟件、BIM設(shè)計軟件以及建筑規(guī)范，形成包含繪圖、造價、材料的建筑產(chǎn)品模型。進而將建筑產(chǎn)品模型中IFC工程文件轉(zhuǎn)化為中心文件，并借助C++編譯器、FORTRAN編譯器、PKPM圖形形式平臺，提取結(jié)構(gòu)信息。提取結(jié)構(gòu)信息后輸入結(jié)構(gòu)產(chǎn)品模型中進行分析，形成結(jié)構(gòu)規(guī)范的模型數(shù)據(jù)庫。

在結(jié)構(gòu)規(guī)范的模型數(shù)據(jù)庫形成后，可以面向建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計過程，搭建ASIM集成框架體系。

ASIM集成框架體系(見圖1)從縱向來看，ASIM集成框架體系涵蓋了不同設(shè)計階段；從橫向來看，ASIM集成框架涵蓋了不同的體系，可以為設(shè)計者使用相關(guān)軟件、應(yīng)用結(jié)構(gòu)設(shè)計信息提供充足支持，滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化要求。

圖1 ASIM集成框架體系

2.2 確定初始目標、約束條件

在ASIM集成框架體系設(shè)計完畢后，設(shè)計人員可以結(jié)合預(yù)定條件，尋找相應(yīng)尺寸的鋼筋截面面積以及已失效的概率參數(shù)，以便達成建筑工程整體造價最少要求。同時以保證結(jié)構(gòu)可靠性為初始目標，進行與優(yōu)化設(shè)計相符的約束條件設(shè)定，比如建筑裂縫寬度約束、尺寸大小約束、建筑本身強度約束、結(jié)構(gòu)體系相關(guān)約束等，逐一對比目標性質(zhì)的約束條件、實際性質(zhì)的約束條件，保證每一約束條件與整體建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計要求相符。

3 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方法的應(yīng)用

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計難點分析

在ASIM集成框架體系中輸入勘查結(jié)果，得出工程建筑場地類別為中軟土場II類，擬建廠區(qū)屬于地震烈度區(qū)劃圖的七度區(qū)，50年超越概率10%的基巖地震動峰值加速度為74.62 cm/s2，對應(yīng)的地震反應(yīng)譜特征參數(shù)為0.271(阻尼比4%)。由于工程地下室與裙樓平面長度超170 m，為超長結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要進行后澆帶的恰當規(guī)劃。同時主塔樓低層平面樓板開洞面積較大，中低層存在2跨柱范圍開洞模塊，開洞范圍框架柱、核心筒之間無聯(lián)結(jié)，極易出現(xiàn)過于薄弱樓板，需要采用彈性膜樓板建構(gòu)計算模型，并進行薄弱部位樓板的適度加厚處理。除此之外，裙樓外立面體型較為多變，高寬比數(shù)值較大，X向側(cè)向與Y向側(cè)向剛度也存在較大的差別，需要設(shè)計者探索增加結(jié)構(gòu)延性、提高結(jié)構(gòu)承載力的方案，以保證建筑結(jié)構(gòu)在大震下性能穩(wěn)定。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

在ASIM集成框架體系中，設(shè)定初始目標為設(shè)防地震下外圍框架柱抗剪抗彎中震彈性、核心筒剪力墻抗剪抗彎中震彈性、框架梁抗剪抗彎中震不屈服，約束條件為關(guān)鍵構(gòu)件與耗能構(gòu)件抗剪、抗彎承載力[2]。在水平地震影響系數(shù)最大值為0.246的情況下，不考慮規(guī)范規(guī)定的構(gòu)件內(nèi)力增大與系數(shù)調(diào)整情況，而是保持框架柱彈性，進行性能水準3計算分析。計算結(jié)果為中震作用下最大層間位移為1/340 mm(0°)，基底剪力為62 531.12 kN，基底彎矩為652 142.20 kN/m。分析結(jié)果得出核心筒剪力墻在中震作用下未出現(xiàn)屈服，個別框架梁以及連梁出現(xiàn)屈服，需要增加配筋量。

根據(jù)工程特點，可以選擇框架-核心筒結(jié)構(gòu)(主塔樓)、鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)(外框架)。核心筒為鋼筋混凝土核心筒(底部往上截面尺寸最大為700 mm)，均為結(jié)構(gòu)主要抗側(cè)力構(gòu)件，在核心筒剪力墻四角局部、剪力墻與框架梁連接位置設(shè)置了型鋼暗梁(水平)、鋼質(zhì)地暗樁(內(nèi)置)，可以在一定程度上提高建筑結(jié)構(gòu)延性、承載力[3]。在建筑總體結(jié)構(gòu)體系確定之后，借助ASIM集成框架體系分析總體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、變形協(xié)調(diào)傾向。從結(jié)構(gòu)側(cè)移剛度、內(nèi)力沿高度突變、風(fēng)載荷作用下層間位移、地震作用下頂點位移等方面，進行對比分析，確定最佳操作方案。比如方案一為鋼梁與混凝土筒體全部鉸接方式，X向、Y向風(fēng)荷載作用下層間位移分別為1/1789、4/588；方案二為鋼梁與筒體全部鉸接，而高層避難層設(shè)置兩道伸臂鋼桁梁形式，X向、Y向風(fēng)荷載作用下層間位移分別為1/1895、1/720。表明方案一結(jié)構(gòu)Y向剛度稍弱，最大層間位移不合格，方案二可以保證位移滿足要求，可以優(yōu)先選擇方案二。

4 結(jié)語

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化強調(diào)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時綜合考慮建筑結(jié)構(gòu)安全性、可靠性、基本功能健全性以及建筑本身的性能，具體表現(xiàn)在房屋工程分層結(jié)構(gòu)優(yōu)化上。設(shè)計人員應(yīng)以盡可能減少質(zhì)量中心、建筑剛度中心相關(guān)性差異為目標，貫徹建筑整體平面結(jié)構(gòu)規(guī)則性、對稱性理念，開發(fā)設(shè)計模型集成框架，合理、科學(xué)選擇設(shè)計變量以及相應(yīng)目標函數(shù)。結(jié)合約束條件的科學(xué)設(shè)置，可以滿足建筑整體與局部優(yōu)化、壽命與階段性優(yōu)化、樁基礎(chǔ)具體優(yōu)化需求，為預(yù)期建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化目標的實現(xiàn)提供保障。