高層建筑的結構優化

王崇革 孫琳 林斌

1 高層建筑結構的發展

1)鋼筋混凝土結構的發展。在高層建筑中，由于鋼筋混凝土結構的耐火性好，就地取材，整體性好并且造價低于鋼結構等優點，得到了廣泛應用。尤其是框架結構和框架剪力墻結構等在實際工程中被應用。由于高強度混凝土可以提高抗震性能，減輕構件自重，目前正在大力研發。2)組合結構的發展。組合結構和鋼筋混凝土結構在高層建筑中受到越來越廣泛的關注和使用。在多發地震國家日本，為了滿足抗震和承載力等要求，組合結構正在迅速發展。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用在高層建筑中。尤其是處于三軸受壓狀態的鋼管混凝土可以更好的提高承載力，節約鋼材。例如上海金茂大廈應用巨形組合設計，得到了可觀的經濟效益。在未來的高層建筑發展中，由于組合結構的諸多優點，比如說可以降低工程成本，加快施工進度等，它將會被越來越廣泛的應用。3)鋼結構的發展。隨著現代科技的發展，鋼結構設計也逐漸被應用到工業廠房和民用建筑中。它的特點是:自身強度高有良好的延性，環境污染少等。在高層建筑中，我們可以充分利用鋼結構良好的抗拉性能，但由于它自身造價較高，在實際工程中應用較少。4)研發新型材料和新結構形式的發展。在高層建筑中，輕質高強的材料如輕混凝土、纖維混凝土、輕骨料混凝土等被大力研發。尤其是為了減少鋼材對防火材料的依賴，應大力研發新型耐火耐候鋼。而筒體結構由于有更好的抗扭剛度，抗側剛度和良好的承載力，近幾年作為新型結構逐漸代替框架結構等傳統結構被應用在高層建筑中。5)智能建筑的發展。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，智能化開始進入了建筑發展中。將建筑物的結構、設備、服務和管理進行最優化組合，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80年代中后期進入中國，并在上海、北京等城市得到很好的發展應用。智能建筑中的辦公自動化系統、設備管理自動化系統、通訊網絡系統是三大必不可少的系統。

2 高層建筑中的一些問題

1)由于受到計算速度，截面形式多和荷載約束多等條件的約束，大型結構的結構優化程序和算法還不完整。實用完整的高層建筑優化軟件還沒有研發出來，但是采用現有的計算軟件又達不到理想的效果。不規則的高層建筑結構在實際工程中也會出現，可能會不利于結構的抗震，對它的結構優化很重要。對結構規則布置合理的建筑物，計算后仍然會出現一些問題，這時候加大截面尺寸會增加了材料的用量，也是很不合理的。

2)高層建筑結構優化理論發展迅速，但是實踐還是遠遠落后。大量的研究表明，形狀優化比尺寸優化更重要，因此單純的尺寸優化達不到更好的效果。可在實際工程中，設計人員在已知的幾何形狀和材料等前提下，由計算軟件算出所需的截面尺寸，且其滿足設計要求即可。因此在以后的工程中，我們應注意結構的形狀優化，達到更好的效果。

3)傳統的優化算法對型鋼規格型號，建筑物尺寸不連續變化的情況下是無法計算的。而且有些問題規模較大，會導致計算量隨之增加，所以迫切需要有一個完善的計算系統。

3 高層建筑結構優化的部分建議

1)截面的變量選擇方法很多，選取何種優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構優化中十分重要。在實際工程的截面優化問題中，影響構件的約束結果和造價與影響構件尺寸的因素是不同的，前者由截面的力學特性A，I2等影響，而后者是由截面尺寸H，B等影響。用戶可以根據設定的離散域對各變量進行取值，從而保證工程的實用性。此外，根據構件的不同受力狀況，梁是根據局部穩定性限制和高寬比為1/3～1/2生成截面離散尺寸變量，而柱是根據局部穩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《高規》規定，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構截面尺寸定量優化的整體約束。鋼構件和混凝土構件截面優化有所不同，前者截面優化應滿足強度，撓度和穩定的要求。而后者由軸壓比約束，截面限制約束等控制。

4 結語

對高層建筑的發展趨勢本文給出了部分的介紹，并指出在高層建筑結構優化中存在的問題，考慮了高層結構優化中的截面尺寸、復雜的約束條件和變量選取等問題并給出了若干建議。在實際的工程中，我們可以結合規范準則編制成有效地計算軟件，會對結構設計起到很大的幫助。

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