高層建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)探究

馮義波 李琦

淄博市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院

摘要：隨著社會經(jīng)濟(jì)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(jìn)步、電氣化、機(jī)械化、電子計(jì)算機(jī)在建筑中的發(fā)展普及、高強(qiáng)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(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。在這個(gè)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(shè)投資，是相關(guān)工程人員必須認(rèn)真思考的問題。

1.高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)概述

1.1建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的概念

建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師對所要施工建筑的外形和空間構(gòu)造的表達(dá)，分上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)兩部分。而建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是指設(shè)計(jì)的建筑結(jié)構(gòu)在滿足約束需求條件下，按預(yù)定目標(biāo)設(shè)計(jì)出最優(yōu)化方案的設(shè)計(jì)方法。

1.2優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的

建筑是時(shí)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(shè)計(jì)的目的就是：在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，用最經(jīng)濟(jì)、最優(yōu)化的手段來獲得預(yù)定條件下滿足設(shè)計(jì)所預(yù)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(shè)計(jì)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(fēng)、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(jìn)行結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)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(jì)性的要求。即結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)建筑的建造地點(diǎn)、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(xì)算采用經(jīng)濟(jì)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(shè)計(jì)的原則

建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不但只是建筑結(jié)構(gòu)的本身，還有建筑經(jīng)濟(jì)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(yīng)嚴(yán)格依據(jù)相關(guān)的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（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(yīng)原則。在建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)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(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)與落腳點(diǎn)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(shè)計(jì)建筑的結(jié)構(gòu)、裝飾裝修以及電氣的安裝等各個(gè)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(shè)計(jì)，而其在建筑抗震的設(shè)計(jì)規(guī)范中有明確的標(biāo)準(zhǔn)。因而，需確保建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能達(dá)到各個(gè)部件的承載能力，進(jìn)而達(dá)到建筑結(jié)構(gòu)能安全經(jīng)濟(jì)、耐久使用的目的。

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

3.高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)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?fù)涞那闆r下，只需要計(jì)算出最優(yōu)構(gòu)件界面即可。但是從理論上和實(shí)踐應(yīng)用上，結(jié)構(gòu)的整體優(yōu)化意義遠(yuǎn)強(qiáng)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(gè)設(shè)計(jì)就不夠使人完全滿意和令人信服。這種設(shè)計(jì)誤區(qū)的表現(xiàn)形式為，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)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(rèn)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(shí)，往往只是簡單地采用電子計(jì)算機(jī)軟件來進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，對于構(gòu)件截面的設(shè)計(jì)只要求滿足規(guī)范即可。因而在設(shè)計(jì)的過程中，上部結(jié)構(gòu)的截面優(yōu)化所能達(dá)到的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)沒有被予以足夠的重視。

3.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目標(biāo)不能完全達(dá)到建設(shè)工程的標(biāo)準(zhǔn)

在高層建筑的實(shí)際結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度超出了人的想象范圍，所以實(shí)際結(jié)構(gòu)的問題相當(dāng)復(fù)雜，其中存在很多節(jié)點(diǎn)，例如：約束條件多、設(shè)計(jì)變量多、建筑功能限制優(yōu)化等難點(diǎn)。由于多種不確定因素的干擾，使得目標(biāo)函數(shù)在處理過程中往往會遠(yuǎn)離準(zhǔn)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(shè)計(jì)做到相對的優(yōu)化。在目前的計(jì)算機(jī)軟件領(lǐng)域中，還沒有開發(fā)實(shí)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(jì)算軟件，僅僅依靠幾次簡單的計(jì)算，并不能將截面的優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)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(shè)計(jì)當(dāng)中，結(jié)構(gòu)布置和方案是比較合理的，截面設(shè)計(jì)也是常用尺寸，但是在分析計(jì)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(yīng)有的效果，反而浪費(fèi)了耗材。

4.高層建筑中的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)中，因?yàn)樘畛鋲w存在使結(jié)構(gòu)實(shí)際表現(xiàn)剛度大于設(shè)計(jì)計(jì)算剛度，計(jì)算周期也會大于實(shí)際周期，所以當(dāng)算出結(jié)構(gòu)剪力偏小時(shí)，會使房屋的某些結(jié)構(gòu)不安全，而應(yīng)該對房屋結(jié)構(gòu)計(jì)算周期適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行折減，這樣能達(dá)到很好的效果，但是對于房屋框架結(jié)構(gòu)，計(jì)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(shè)計(jì)

在之前大部分混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中，很多沒有充分考慮到建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)未能達(dá)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(shè)計(jì)來說，低造價(jià)和省材料設(shè)計(jì)都應(yīng)為滿意的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但隨著人們生活水平的提高和在實(shí)際工程中，有時(shí)在其他使用要求或技術(shù)指標(biāo)上升為設(shè)計(jì)主要矛盾時(shí)，設(shè)計(jì)者們就要放棄對經(jīng)濟(jì)的單純追求。所以當(dāng)選以高層混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化為設(shè)計(jì)的主要目的時(shí)，就應(yīng)依據(jù)設(shè)計(jì)所要面對的關(guān)鍵性問題，分清主次，選多目標(biāo)或單目標(biāo)來實(shí)施優(yōu)化，達(dá)到滿意效果。

4.3房屋結(jié)構(gòu)抗震性設(shè)計(jì)

在工程圖紙?jiān)O(shè)計(jì)過程中，房屋結(jié)構(gòu)按抗震設(shè)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(yīng)當(dāng)不考慮耦聯(lián)扭轉(zhuǎn)計(jì)算；當(dāng)振型數(shù)大于3的時(shí)候，應(yīng)取3的整數(shù)倍計(jì)算，但數(shù)據(jù)不能大于建筑物層數(shù)；當(dāng)房屋層數(shù)不大于2時(shí)，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(yīng)考慮扭耦聯(lián)轉(zhuǎn)，對高層房屋建筑來說，振型數(shù)應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(shí)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(shè)置地下室結(jié)構(gòu)。由于隔墻較少，故常采用的是板筏基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)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(shí)際的地下室的層數(shù)計(jì)算。如此一來，計(jì)算基礎(chǔ)底板以及地基縱向荷載可一次設(shè)計(jì)完成。同時(shí)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(yīng)嵌固位置，適當(dāng)加固構(gòu)造措施，保證樓板最小配筋率和厚度。當(dāng)房屋結(jié)構(gòu)縱向不規(guī)則時(shí)，要驗(yàn)算其最薄弱層。

4.5合理使用高強(qiáng)鋼筋與高強(qiáng)混凝土

高層建筑的總造價(jià)一般都包括框架結(jié)構(gòu)材料、施工和基礎(chǔ)的物料費(fèi)用等，其中用鋼量以及構(gòu)筑件截面積對房屋造價(jià)影響較大，故在建筑設(shè)計(jì)中合理使用高強(qiáng)混凝土與高強(qiáng)度鋼筋可有效降低用鋼量，節(jié)約建筑成本。若高層建筑設(shè)計(jì)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(qiáng)鋼筋和高強(qiáng)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(jià)及基礎(chǔ)設(shè)施施工難度，取得較好經(jīng)濟(jì)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(shè)計(jì)中高效地使用高強(qiáng)鋼筋及高強(qiáng)混凝土，能快速有效的縮小梁墻板柱等構(gòu)件截面積，達(dá)到建筑造價(jià)目的。

5.總結(jié)語

總而言之，高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)相當(dāng)繁重的任務(wù)，設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的問題很多，需充分應(yīng)用自己的理論知識，結(jié)合自己多年豐富的經(jīng)驗(yàn)，按照需求，科學(xué)的計(jì)算設(shè)計(jì)出符合的建筑，并對其進(jìn)行一定優(yōu)化完善，保證建筑的安全與經(jīng)濟(jì)。