高層建筑的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王崇革 孫琳 林斌

1 高層建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展

1)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展。在高層建筑中，由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐火性好，就地取材，整體性好并且造價(jià)低于鋼結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。尤其是框架結(jié)構(gòu)和框架剪力墻結(jié)構(gòu)等在實(shí)際工程中被應(yīng)用。由于高強(qiáng)度混凝土可以提高抗震性能，減輕構(gòu)件自重，目前正在大力研發(fā)。2)組合結(jié)構(gòu)的發(fā)展。組合結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在高層建筑中受到越來越廣泛的關(guān)注和使用。在多發(fā)地震國家日本，為了滿足抗震和承載力等要求，組合結(jié)構(gòu)正在迅速發(fā)展。其中外包混凝土組合柱，鋼管混凝土組合柱被越來越多的應(yīng)用在高層建筑中。尤其是處于三軸受壓狀態(tài)的鋼管混凝土可以更好的提高承載力，節(jié)約鋼材。例如上海金茂大廈應(yīng)用巨形組合設(shè)計(jì)，得到了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。在未來的高層建筑發(fā)展中，由于組合結(jié)構(gòu)的諸多優(yōu)點(diǎn)，比如說可以降低工程成本，加快施工進(jìn)度等，它將會被越來越廣泛的應(yīng)用。3)鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也逐漸被應(yīng)用到工業(yè)廠房和民用建筑中。它的特點(diǎn)是:自身強(qiáng)度高有良好的延性，環(huán)境污染少等。在高層建筑中，我們可以充分利用鋼結(jié)構(gòu)良好的抗拉性能，但由于它自身造價(jià)較高，在實(shí)際工程中應(yīng)用較少。4)研發(fā)新型材料和新結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展。在高層建筑中，輕質(zhì)高強(qiáng)的材料如輕混凝土、纖維混凝土、輕骨料混凝土等被大力研發(fā)。尤其是為了減少鋼材對防火材料的依賴，應(yīng)大力研發(fā)新型耐火耐候鋼。而筒體結(jié)構(gòu)由于有更好的抗扭剛度，抗側(cè)剛度和良好的承載力，近幾年作為新型結(jié)構(gòu)逐漸代替框架結(jié)構(gòu)等傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)被應(yīng)用在高層建筑中。5)智能建筑的發(fā)展。由于人們審美觀和對建筑功能的要求增多，為了獲得高效率、高功能、高舒適的建筑物，智能化開始進(jìn)入了建筑發(fā)展中。將建筑物的結(jié)構(gòu)、設(shè)備、服務(wù)和管理進(jìn)行最優(yōu)化組合，以滿足用戶的需求而形成的就是智能建筑。智能建筑在20世紀(jì)80年代中后期進(jìn)入中國，并在上海、北京等城市得到很好的發(fā)展應(yīng)用。智能建筑中的辦公自動化系統(tǒng)、設(shè)備管理自動化系統(tǒng)、通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是三大必不可少的系統(tǒng)。

2 高層建筑中的一些問題

1)由于受到計(jì)算速度，截面形式多和荷載約束多等條件的約束，大型結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化程序和算法還不完整。實(shí)用完整的高層建筑優(yōu)化軟件還沒有研發(fā)出來，但是采用現(xiàn)有的計(jì)算軟件又達(dá)不到理想的效果。不規(guī)則的高層建筑結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中也會出現(xiàn)，可能會不利于結(jié)構(gòu)的抗震，對它的結(jié)構(gòu)優(yōu)化很重要。對結(jié)構(gòu)規(guī)則布置合理的建筑物，計(jì)算后仍然會出現(xiàn)一些問題，這時(shí)候加大截面尺寸會增加了材料的用量，也是很不合理的。

2)高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論發(fā)展迅速，但是實(shí)踐還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后。大量的研究表明，形狀優(yōu)化比尺寸優(yōu)化更重要，因此單純的尺寸優(yōu)化達(dá)不到更好的效果。可在實(shí)際工程中，設(shè)計(jì)人員在已知的幾何形狀和材料等前提下，由計(jì)算軟件算出所需的截面尺寸，且其滿足設(shè)計(jì)要求即可。因此在以后的工程中，我們應(yīng)注意結(jié)構(gòu)的形狀優(yōu)化，達(dá)到更好的效果。

3)傳統(tǒng)的優(yōu)化算法對型鋼規(guī)格型號，建筑物尺寸不連續(xù)變化的情況下是無法計(jì)算的。而且有些問題規(guī)模較大，會導(dǎo)致計(jì)算量隨之增加，所以迫切需要有一個(gè)完善的計(jì)算系統(tǒng)。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的部分建議

1)截面的變量選擇方法很多，選取何種優(yōu)化模型是由不同的截面變量選擇方法所決定，因此變量選取在高層建筑的結(jié)構(gòu)優(yōu)化中十分重要。在實(shí)際工程的截面優(yōu)化問題中，影響構(gòu)件的約束結(jié)果和造價(jià)與影響構(gòu)件尺寸的因素是不同的，前者由截面的力學(xué)特性A，I2等影響，而后者是由截面尺寸H，B等影響。用戶可以根據(jù)設(shè)定的離散域?qū)Ω髯兞窟M(jìn)行取值，從而保證工程的實(shí)用性。此外，根據(jù)構(gòu)件的不同受力狀況，梁是根據(jù)局部穩(wěn)定性限制和高寬比為1/3～1/2生成截面離散尺寸變量，而柱是根據(jù)局部穩(wěn)定性限制和按高寬比1/2～1生成截面離散尺寸變量。

2)根據(jù)《高規(guī)》規(guī)定，通過地震作用下的最大層間位移與水平荷載可以看出高層結(jié)構(gòu)截面尺寸定量優(yōu)化的整體約束。鋼構(gòu)件和混凝土構(gòu)件截面優(yōu)化有所不同，前者截面優(yōu)化應(yīng)滿足強(qiáng)度，撓度和穩(wěn)定的要求。而后者由軸壓比約束，截面限制約束等控制。

4 結(jié)語

對高層建筑的發(fā)展趨勢本文給出了部分的介紹，并指出在高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化中存在的問題，考慮了高層結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的截面尺寸、復(fù)雜的約束條件和變量選取等問題并給出了若干建議。在實(shí)際的工程中，我們可以結(jié)合規(guī)范準(zhǔn)則編制成有效地計(jì)算軟件，會對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起到很大的幫助。

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