1、<p>　　論建筑的結構優(yōu)化設計研究</p><p>　　[摘要]:本文分析了高層建筑結構和工程優(yōu)化設計理論的發(fā)展趨勢,研究了高層建筑結構優(yōu)化設計中存在的問題,并探討了利用滿應力設計法進行高層建筑的結構優(yōu)化設計的可行性。 </p><p>　　[關鍵詞]:高層建筑;結構設計;優(yōu)化設計 </p><p>　　中圖分類號：[TU208.3] 文獻標識碼：A 文

2、章編號： </p><p><b>　　0前言 </b></p><p>　　高層建筑是隨著社會生產(chǎn)的發(fā)展和人們生活的需要而發(fā)展起來的,是城市和工商業(yè)發(fā)展的結果,而建筑技術的進步,輕質高強材料的出現(xiàn)以及機械化、電氣化、計算機在建筑中的應用,又為高層建筑的發(fā)展提供了物質和技術基礎。 </p><p>　　1高層建筑結構的發(fā)展趨勢 </p&g

3、t;<p>　　第一,鋼筋混凝土材料重新得到重視。與鋼結構相比,鋼筋混凝土結構具有整體性好、剛度大、位移小、舒適度佳、耐腐蝕、耐高溫、耐火、維護方便等優(yōu)點。此外,即使是在美、日等鋼鐵工業(yè)發(fā)達的國家,鋼筋混凝土造價還是低于鋼結構。我國的高層建筑中,絕大部分為鋼筋混凝土現(xiàn)澆結構,只有少數(shù)采用了鋼結構。輕混凝土、高強混凝土、鋼管混凝土、型鋼混凝土等理論技術已經(jīng)成熟,而非金屬配筋、新型預應力鋼棒等混凝土增強材料技術的不斷發(fā)展,也為

4、鋼筋混凝土材料的重新崛起提供了條件。 </p><p>　　第二,組合結構的高層建筑發(fā)展迅速。采用組合結構可建造比混凝土結構更高的建筑,不但具有優(yōu)異的靜、動力工作性能,而且能大量節(jié)約鋼材、降低工程造價和加快施工進度。在不同的情況下,可以取代鋼筋混凝土結構和鋼結構,科技含量也較高,對環(huán)境污染也較少,已廣泛應用于冶金、造船、電力、交通等部門的建筑中,并以迅猛的勢頭進入了橋梁工程和高層與超高層建筑中。在強震國家日本,組

5、合結構高層建筑發(fā)展迅速,鋼筋混凝土組合柱應用廣泛。由于鋼管內混凝土處于三軸受壓狀態(tài),能提高承載力,從而可節(jié)約鋼材。而香港的中國銀行采用巨形組合柱的建筑設計方法,獲得了十分可觀的經(jīng)濟效益。隨著混凝土強度的提高以及構造和施工技術上的改進,組合結構在高層建筑中的應用可望進一步擴大。 </p><p>　　第三,新型結構形式的應用不斷增加?？蚣荏w系、剪力墻體系和框架—剪力墻(支撐)體系是高層建筑的傳統(tǒng)結構體系。根據(jù)筒體的

6、不同組成方式,分為框筒體系、筒中筒體系和多束筒體系3種類型。筒體最主要的受力特點是它的空間受力性能。無論哪一種筒體,在水平力作用下都可以看成固定于基礎上的箱形懸臂構件,它比單片平面結構具有更大的抗側剛度和承載力,并具有很好的抗扭剛度。因此,該種體系廣泛應用于多功能、多用途、層數(shù)較多的高層建筑中。而20世紀80年代發(fā)展起來的巨形結構(巨形桁架、巨形框架) 、應力蒙皮結構、隔震結構等也都已經(jīng)開始了廣泛的應用。 </p><

7、;p>　　第四,智能建筑的發(fā)展異軍突起。現(xiàn)代建筑技術和高新技術產(chǎn)業(yè)的結合促成了智能建筑的產(chǎn)生,在高層建筑中有更廣闊的應用前景。智能建筑是建筑、裝備、服務和經(jīng)營四要素各自優(yōu)化、相互聯(lián)系、全面綜合并達到最佳組合,以獲得高效率、高功能與高舒適的建筑物。智能建筑是通過對建筑物的4個基本要素,即結構、系統(tǒng)、服務和管理,以及它們之間的內在聯(lián)系,以最優(yōu)化的設計,提供一個投資合理又擁有高效率的幽雅舒適、便利快捷、高度安全的環(huán)境空間。智能建筑的構成

8、至少必須具備三大系統(tǒng):設備管理自動化系統(tǒng)、通訊網(wǎng)絡系統(tǒng)、辦公自動化系統(tǒng),并以此應用現(xiàn)代4C技術構成智能建筑結構與系統(tǒng),結合現(xiàn)代化的服務與管理方式給人們提供一個安全、舒適的生活、學習與工作環(huán)境空間。 </p><p>　　2工程優(yōu)化設計理論的發(fā)展 </p><p>　　第一,工程設計軟科學的發(fā)展。實際上,人們在處理事物時都會遇到硬、軟兩種因素。硬因素就是有實體的物質系統(tǒng)中的一些因素;軟因素就

9、是精神意識系統(tǒng)中的一些因素。軟科學和硬科學的區(qū)分是相對的,不應該也不可能給出截然劃分的界限。目前的工程設計主要側重于力學分析,具有硬科學的性質。力學分析只是荷載決定后計算結構力學反應的一種手段,是工程設計所使用的工具之一。在工程設計中,更重要的是必須進行很多運籌、決策和規(guī)劃的工作,所以,工程設計應該是硬科學和軟科學的結合,這就需要建立全面的、嶄新的工程設計理論。在土建工程設計的前期,有許多重大的問題需要進行科學的決策,包括工程項目的可行

10、性論證、工程項目的總體規(guī)劃及功能優(yōu)化、結構的造型、結構設防水平的決策等。所有這些前期的決策工作,其影響都遠大于目前的以結構計算為主的優(yōu)化設計工作。 </p><p>　　第二,工程項目功能優(yōu)化的發(fā)展。在經(jīng)過可行性論證決定了工程項目的任務、規(guī)模、建設地點、建設分期等重大問題之后,就需要考慮工程建設的總體布局及規(guī)劃,這也是一個重大的決策,直接影響工程的社會和經(jīng)濟效益、運行的功能和對環(huán)境的美學效應。在優(yōu)化整個工程項目的

11、功能時,可以利用價值工程的某些概念和手段來改善現(xiàn)有的方法。 </p><p>　　第三,工程結構系統(tǒng)全局優(yōu)化的發(fā)展。各個結構獨立優(yōu)化和拼湊而成的工程系統(tǒng)并不一定優(yōu)化,只有當工程系統(tǒng)中各個結構之間不存在任何橫向約束時,各結構的獨立優(yōu)化才形成工程系統(tǒng)的優(yōu)化。只有從大系統(tǒng)全局進行優(yōu)化,才能真正收到優(yōu)化的效果。 </p><p>　　第四,工程項目全壽命優(yōu)化的發(fā)展。以往的優(yōu)化設計理論針對的都是具體

12、的結構,而在工程實際中,一般都是整個工程大系統(tǒng)的優(yōu)化設計問題,其由眾多子系統(tǒng)或者結構組成,具有高維數(shù)、多目標、變量種類多、約束耦合復雜等難點,故其子系統(tǒng)的獨立優(yōu)化并不能帶來整個大系統(tǒng)的優(yōu)化方法。實際的工程系統(tǒng)優(yōu)化模型往往預先不知道,需要通過子系統(tǒng)或者結構的具體優(yōu)化模型來構造大系統(tǒng)的全局優(yōu)化模型。工程的全系統(tǒng)全壽命優(yōu)化就是考慮了工程系統(tǒng)中的動態(tài)可靠度與模糊因素,在各個階段的優(yōu)化中都應該以工程項目的全局作為優(yōu)化對象,而各個單元的優(yōu)化必須在總

13、體全局優(yōu)化的指導下進行。 </p><p>　　3 設計中存在的問題 </p><p>　　第一,只重視結構尺寸的優(yōu)化,即在給定結構的幾何形狀、拓撲和材料的情況下,求出滿足約束條件的最優(yōu)構件截面,而忽視結構整體的優(yōu)化。已有的研究結果表明,形狀優(yōu)化比尺寸優(yōu)化更有意義。單純的尺寸優(yōu)化無法接近最優(yōu)的結果,因此,也就不能完全令人信服。設計人員較普遍地認為,結構設計只要結構方案和布置合理,部結構又有

14、比較成熟的計算機軟件進行分析計算,構件截面只要通過計算結果滿足規(guī)范即可,認為上部結構相對下部結構,即地基基礎部分,特別是軟土地基的意義不大,因此對上部結構截面的優(yōu)化所能達到的經(jīng)濟效益未予以充分的重視。 </p><p>　　第二,優(yōu)化的目標還不能完全符合工程的需要。由于實際結構問題往往十分復雜,存在設計變量多、約束條件多、受建筑功能限制較大等難點,多種因素甚至不確定性因素使得目標函數(shù)在建立后只能得到相對最優(yōu)解。而

15、且,目前尚沒有實用的高層建筑優(yōu)化分析軟件,而應用現(xiàn)有的各種計算機分析軟件進行截面優(yōu)化并不是簡單的幾次嘗試就能達到效果的,因此,無論是機時,還是設計進度,都較難允許實施這種優(yōu)化方法。很多高層建筑設計項目,結構方案和布置還是比較合理的,其構件截面也是同類型結構中常用的尺寸,但是計算分析后還存在某些薄弱環(huán)節(jié),為了改善這種受力狀況,增大構件截面卻未能得到明顯改善,反而增加了材料耗量。 </p><p>　　第三,離散變量

16、優(yōu)化問題。建筑物尺寸以及鋼筋、型鋼規(guī)格型號等都不是連續(xù)變化的,因此,傳統(tǒng)的優(yōu)化方法,如各種梯度算法、對偶算法等解析算法均無法勝任。而且,由于問題的規(guī)模較大,隨之帶來的計算量急劇增加的“組合爆炸”問題也會使計算量急劇增加。 </p><p>　　4高層建筑結構優(yōu)化設計的方法 </p><p>　　對高層建筑結構方案進行優(yōu)化采用何種方法,首先應分析這一問題的目標函數(shù)、目標函數(shù)中的各種變量,這些

17、變量之間的各種數(shù)學解析關系以及與各種變量有關的約束條件,在分析的基礎上是采用間接優(yōu)化還是直接優(yōu)化方法來確定。高層建筑結構方案優(yōu)化的目標就是材料耗量,材料耗量決定于構件的截面尺寸大小,截面尺寸必須滿足通過力學分析得到各構件內力后的強度計算及位移變形等條件。 </p><p>　　滿應力設計法是在桁架等桿系結構的設計中發(fā)展起來的,是結構優(yōu)化中最簡單、最易為工程人員理解的一種準則法。所謂滿應力是指結構構件在荷載作用下的

18、最大應力達到所用材料的容許應力,此時材料的強度得到充分利用,構件截面面積將是最小,故可作為桁架最輕設計或體積最小設計的一個準則。滿應力設計法是結構在規(guī)定材料和幾何形狀的條件下,按照滿應力準則的要求,修改構件的截面尺寸,使每一構件至少在一種工況下達到或接近其容許應力限值的優(yōu)化算法。如果結構除了應力約束外還有界限約束,則要求每一構件應力約束和界限約束中至少有一個達到臨界值。 </p><p>　　利用滿應力設計法進行

19、高層建筑的結構優(yōu)化設計要遵循以下步驟:首先,要根據(jù)常規(guī)做法和經(jīng)驗確定結構構件的初始截面尺寸,并按構件分類分別建立柱、墻、梁可供選擇截面尺寸的數(shù)據(jù)庫;其次,要對結構構件進行力學分析,算出各工況下結構的位移及內力,并對結構構件進行承載力計算;再次,要根據(jù)計算結果,對構件截面尺寸進行調整,在滿足位移條件的前提下,盡量充分發(fā)揮構件材料的性能,即按規(guī)范計算使其接近滿應力狀態(tài),但截面選擇應在指定的數(shù)據(jù)庫中進行,并統(tǒng)計截面需修改的個數(shù); 然后,根據(jù)修

20、改截面的數(shù)量、性質,由人工干預決定或指定一個限值自動決定是否重新計算,即返回到第二步計算,如此循環(huán)反復,直到滿足要求為止;最后,輸出最后優(yōu)化的構件截面尺寸及計算結果。 </p><p><b>　　5 結束語 </b></p><p>　　當前,在無成熟的優(yōu)化分析軟件的情況下,應用現(xiàn)有的高層建筑結構分析軟件,采用人工分析調整構件的截面尺寸,進行反復運算,也可達到優(yōu)化效

21、果,但費工費時,較難滿足設計進度要求,而且對設計人員的素質要求較高,需要有較高的分析判別能力。 </p><p><b>　　參考文獻 </b></p><p>　　[1] 《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》JGJ 3—2010 </p><p>　　[2] 《建筑抗震設計規(guī)范》GB 50011—2010 </p><p>