高層建筑結(jié)構(gòu)選型發(fā)展研究

姜亞夢(mèng)，劉功良

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319；2.大慶石油學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院）

高層建筑結(jié)構(gòu)選型發(fā)展研究

姜亞夢(mèng)1，劉功良2

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319；2.大慶石油學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院）

隨著土木工程結(jié)構(gòu)大型化復(fù)雜化和多樣化的發(fā)展，高層建筑結(jié)構(gòu)選型問(wèn)題顯得越來(lái)越重要,通過(guò)查閱大量文獻(xiàn)我們總結(jié)出高層建筑結(jié)構(gòu)選型的研究現(xiàn)狀、方法并給出其發(fā)展的趨勢(shì).

結(jié)構(gòu)選型；高層建筑結(jié)構(gòu)；研究方法

隨著近年來(lái)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展和國(guó)家整體實(shí)力的增強(qiáng)，建造一批更高的建筑物即將成為我國(guó)十分現(xiàn)實(shí)的需求，這是我國(guó)建筑業(yè)領(lǐng)域面臨的巨大機(jī)遇和挑戰(zhàn).由于高層建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題自身的復(fù)雜性，選擇余地的增大也意味著選擇的結(jié)構(gòu)體系和類型不恰當(dāng)?shù)目赡苄砸泊蟠笤黾?因而，結(jié)構(gòu)選型問(wèn)題在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要性空前凸顯，高層建筑的結(jié)構(gòu)選型就是根據(jù)框架結(jié)構(gòu)體系、剪力墻體系、框架一剪力墻結(jié)構(gòu)體系、筒體結(jié)構(gòu)等各個(gè)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)并考慮到影響結(jié)構(gòu)選型的主要因素,例如：環(huán)境條件、建筑方案特征、建筑使用功能要求等因素，應(yīng)用某種方法選擇出既經(jīng)濟(jì)、又美觀、施工方便的建筑結(jié)構(gòu)從而達(dá)到結(jié)構(gòu)的優(yōu)選.但是，在高層建筑結(jié)構(gòu)選型方面國(guó)內(nèi)外尚未對(duì)其理論進(jìn)行充分的研究，這是因?yàn)楦邔咏ㄖY(jié)構(gòu)選型是一個(gè)非常復(fù)雜的決策問(wèn)題，具有強(qiáng)烈的綜合性，包含大量不確定性(隨機(jī)性、模糊性和未確知性)信息.下面本文將著重介紹高層建筑結(jié)構(gòu)選型的研究狀況及其主要研究方法.

1 高層建筑結(jié)構(gòu)選型的研究狀況

高層建筑結(jié)構(gòu)選型的研究工作在國(guó)內(nèi)外都處于起步階段，以下是國(guó)內(nèi)一些學(xué)者的研究成果或思路.

1.1 哈爾濱建筑大學(xué)的王光遠(yuǎn)認(rèn)為結(jié)構(gòu)選型是對(duì)結(jié)構(gòu)功能、社會(huì)效益、結(jié)構(gòu)可靠度和造價(jià)都有重大影響的決策.他提出了工程項(xiàng)目的“全系統(tǒng)全壽命優(yōu)化”的概念，指出結(jié)構(gòu)選型的優(yōu)化目標(biāo)不僅包括近期的投資和效益，還應(yīng)包括長(zhǎng)遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，同時(shí)，由于結(jié)構(gòu)選型具有強(qiáng)烈的綜合性，還包含有大量的不確定性因素，因而可以利用模糊綜合評(píng)判或模糊隨機(jī)決策的方法來(lái)進(jìn)行決策[1].

1.2 同濟(jì)大學(xué)的李國(guó)強(qiáng)以上海地區(qū)三幢功能相同的高層建筑為例，以工程的上部造價(jià)、建筑的有效使用面積、地基基礎(chǔ)的處理費(fèi)用及結(jié)構(gòu)施工工期等因素對(duì)整體成本的影響作了定量的分析，提出：對(duì)于采用何種結(jié)構(gòu)方案，除考慮造價(jià)以外，還應(yīng)從建筑有效使用面積、結(jié)構(gòu)抗震及地基處理、建筑布置靈活性、施工工期及施工對(duì)周圍環(huán)境影響等綜合因素作全面、系統(tǒng)的分析，應(yīng)以其綜合經(jīng)濟(jì)化為依據(jù)[2].

1.3 清華大學(xué)劉西拉、李楚舒提出了一個(gè)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高層建筑結(jié)構(gòu)體系的選擇方法.他們認(rèn)為，結(jié)構(gòu)體系的選擇(即結(jié)構(gòu)選型)是一個(gè)涉及面廣、綜合性強(qiáng)的工作，需要多方面的知識(shí)和豐富的經(jīng)驗(yàn)，因此他們提出一個(gè)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的專家系統(tǒng)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題[3].

1.4 陳章洪認(rèn)為搞好結(jié)構(gòu)工程的關(guān)鍵在于結(jié)構(gòu)選型，建筑師和結(jié)構(gòu)工程師在建筑方案設(shè)計(jì)階段就應(yīng)該互相配合，與其他工種專業(yè)人員協(xié)調(diào)，通過(guò)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析來(lái)進(jìn)行選型決策[4].

1.5 哈爾濱建筑大學(xué)的陶忠等指出高層建筑結(jié)構(gòu)選型是受多個(gè)因素影響的、綜合性的多目標(biāo)決策問(wèn)題.在分析了高層建筑結(jié)構(gòu)選型的決策影響因素的基礎(chǔ)上，他們提出了計(jì)算這些影響因素的權(quán)重分配系數(shù)和評(píng)價(jià)矩陣，并利用模糊數(shù)學(xué)為工具，初步建立了模糊綜合評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型[5].

2 結(jié)構(gòu)選型的主要研究方法

2.1 模糊多屬性決策方法

2.1.1 結(jié)構(gòu)選型的多屬性決策模型

結(jié)構(gòu)選型的多屬性決策問(wèn)題可以表示為

式中x稱為備選方案(決策變量)，F(xiàn)(x)為方案x的屬性向量函數(shù).備選方案x一般為離散型受控變量，并且通常是一維的，因此可以用名義標(biāo)度量化在一維歐式空間E'里，所以有x∈X∈E'.通常稱E'為決策變量空間，簡(jiǎn)稱決策空間.屬性向量函數(shù)F(x)通常由m個(gè)單個(gè)屬性函數(shù)fi(x)(i=1,2,……，m)組成，用向量可以表示為

屬性向量函數(shù)F(x)的取值范圍稱為值域，記為F(X),單屬性函數(shù)的值域記為Fi(x)，F(xiàn)(x)亦稱為決策空間的點(diǎn)，故有F(x)∈F(X)??Em.

2.1.2 結(jié)構(gòu)選型的模糊多屬性決策模型

在結(jié)構(gòu)選型的方案評(píng)價(jià)過(guò)程中，決策者對(duì)備選方案的屬性評(píng)價(jià)通常是通過(guò)模糊語(yǔ)言進(jìn)行評(píng)價(jià)的，因此，可以按下式將決策知陣D轉(zhuǎn)變?yōu)闆Q策者對(duì)備選方案集X關(guān)于屬性集F的模糊滿意度知陣

式中:Sij為決策者對(duì)方案xj關(guān)于屬性F的模糊滿意度，對(duì)于效益型屬性

對(duì)于成本型屬性

顯然，模糊滿意度知陣S是規(guī)范化知陣，即所有的元素sij，滿足0≤sij≤1考慮決策者對(duì)各屬性的偏好程度，可以將模糊滿意度知陣S變換為如下的加權(quán)模糊滿意度矩陣

式中:vij為考慮決策者對(duì)于屬性廠的偏好信息ωi,(即權(quán)重)的加權(quán)模糊滿意度，按下式確定

于是多屬性決策模型(2)轉(zhuǎn)化為如下基于決策者偏好信息和模糊滿意度的模糊多屬性決策模型

式中:vi(x)為決策者對(duì)方案x關(guān)于屬性fi并考慮其偏好信息的加權(quán)模糊滿意度.

2.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)由大量神經(jīng)元組成的高度復(fù)雜的大規(guī)模非線性自適應(yīng)系統(tǒng)，由輸入層、若干隱含層及輸出層組成.它通過(guò)輸入層接收評(píng)價(jià)條件信息，通過(guò)各層神經(jīng)元間的聯(lián)接、聯(lián)接強(qiáng)度及神經(jīng)元的作用函數(shù)來(lái)接收、處理、傳遞評(píng)價(jià)信息，最后由輸出層輸出評(píng)價(jià)結(jié)果.它能通過(guò)一定的學(xué)習(xí)規(guī)則或算法進(jìn)行學(xué)習(xí)，能自動(dòng)地抽取、并以聯(lián)接權(quán)值與神經(jīng)元閥值的形式存儲(chǔ)隱含在評(píng)價(jià)樣本中領(lǐng)域?qū)＜业脑u(píng)價(jià)知識(shí)與方法.將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入結(jié)構(gòu)選型選型中，分析影響結(jié)構(gòu)選型的重要因素和各種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，選著一種最適合的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并且確定其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).對(duì)其進(jìn)行訓(xùn)練、優(yōu)化，經(jīng)檢驗(yàn)訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)模型性能良好達(dá)到了智能預(yù)測(cè)的目的.

2.3 基于專家系統(tǒng)(ES)的智能評(píng)價(jià)方法

該方法主要是通過(guò)收集諸多領(lǐng)域?qū)＜疫M(jìn)行性能評(píng)價(jià)時(shí)所積累的經(jīng)驗(yàn)與利用的知識(shí)，并用統(tǒng)計(jì)、模糊集、隸屬函數(shù)等形式來(lái)處理評(píng)價(jià)知識(shí)的不確定性與模糊性，以產(chǎn)生式規(guī)則、框架、謂詞或語(yǔ)義網(wǎng)等形式表示存儲(chǔ)知識(shí)，以正、反向推理方式建立系統(tǒng)的推理機(jī)制.該方法具有充分利用專家經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)的優(yōu)點(diǎn)，且系統(tǒng)存儲(chǔ)知識(shí)的多少及其質(zhì)量決定了智能評(píng)價(jià)的有效性.專家經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)獲取是系統(tǒng)的“瓶頸”，可通過(guò)在系統(tǒng)中引入知識(shí)發(fā)現(xiàn)(KDD)技術(shù)及具有自學(xué)習(xí)功能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)技術(shù)來(lái)解決其“瓶頸”問(wèn)題.此時(shí)，由KDD和ANN獲得、收集或存儲(chǔ)的信息將作為ES的事實(shí)和規(guī)則支持ES的性能評(píng)價(jià).

3 結(jié)構(gòu)選型未來(lái)的發(fā)展

隨著土木工程技術(shù)在我國(guó)的進(jìn)一步發(fā)展，高層建筑結(jié)構(gòu)智能選型系統(tǒng)將得到更為廣泛的使用，對(duì)于結(jié)構(gòu)選型的運(yùn)用也將在更多的新型結(jié)構(gòu)方案中拓展開。結(jié)構(gòu)選智能系統(tǒng)必將隨之?dāng)U充發(fā)展，如何擴(kuò)充其因素和方案將成為進(jìn)一步研究的方向。

〔1〕陳章洪.建筑結(jié)構(gòu)選型手冊(cè)[S].北京:中國(guó)建筑巨業(yè)出版社，2000.

〔2〕李國(guó)強(qiáng)，張潔.上海地區(qū)高層建筑采用鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)的綜合經(jīng)濟(jì)比較分析[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2000(4):75-79.

〔3〕劉西拉，李楚舒.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高層建筑結(jié)構(gòu)體系選擇[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，1999(10):36-41.

〔4〕陳章洪.建筑結(jié)構(gòu)選型手冊(cè)[S].北京:中國(guó)建筑巨業(yè)出版社，2000.

〔5〕陶忠，張耀春，韓林海，王光遠(yuǎn)，關(guān)于高層結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)的初步探討 [J].哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2000(2):21-23.

TU97

A

1673-260X（2010）08-0150-02