高層建筑結構優化設計中結構體系優選的探討

葉柏龍， 于萬秀，左 露

(中南大學土木工程學院，湖南長沙 410083)

高層建筑是近百年來發展起來的一種建筑形式，發展迅速，日新月異，很快成為反映城市經濟繁榮和社會進步的重要標志。高層建筑投資大、建設周期長，對其進行優化設計以期獲得最優結構方案一直是結構設計人員所努力的方向，不僅對結構受力的合理性、新型結構形式的研究和推廣具有十分重要的科學意義，而且具有顯著的經濟效益。結構體系的優化選擇就是針對某一幢高層建筑,在建筑方案已經確定的情況下,運用科學的方法進行比較分析,從而確定一個綜合經濟效益最佳的結構型式。

1 高層建筑結構型式

結構體系是指結構抵抗外部作用的構件組成方式。而在高層建筑中，抵抗水平力是設計的主要問題，從而抗側力結構體系的確定和設計成為結構設計的關鍵問題。高層建筑按抗側力體系可分為以下幾種型式。

1．1 框架結構

框架是由梁和柱子剛性連接的骨架結構?？蚣芙Y構的優點是：強度高，自重輕，整體性和抗震性好,不靠磚墻承重，建筑平面布置靈活，可以獲得較大的使用空間，所以它的應用極為廣泛。

1.1.1 矩形柱框架結構

矩形柱框架結構采用框架梁、矩形柱組成的框架體系作為建筑豎向承重結構，同時承受水平荷載。其特點是：空間大，靈活性好，使用方便。在住宅建筑中房間往往分隔不規則，柱網難以布置,由于整體結構的抗側、穩定主要靠框架結構本身，柱截面較大，可能會大于隔墻厚度，從而造成柱子外凸，影響家具布置和美觀。在受力方面，抗側力性能較差、剛度較低，在強震下容易產生震害。

1.1.2 異形柱框架結構

異形柱框架結構是指全部或部分柱截面為L形、T形、十字形，截面高與肢厚之比小于或等于4的框架結構，介于短肢剪力墻與矩形框架之間的一種結構體系。異形柱結構避免了框架柱在室內凸出，少占建筑空間，使建筑更加美觀，為建筑設計及使用功能帶來靈活性和方便性，并且明顯提高了結構抗側剛度。近年來異形柱結構在建筑業界尤其是在住宅設計中得到了廣泛應用。

研究表明，異形截面柱與相同截面面積的矩形柱構成的框架比較，框架的總抗側剛度約增加20%，建筑頂點水平位移約減少8%，這說明采用異形柱對結構整體受力性能影響不大，對加強結構空間整體性、提高結構抗風、抗震性能是有利的。但也有不足之處，異形柱比普通矩形柱的變形能力低，易發生脆性破壞。

1.2 剪力墻結構

剪力墻結構是由一系列縱向、橫向剪力墻及樓蓋所組成的空間結構，是高層建筑中常用的結構形式。由于縱、橫向剪力墻在其自身平面內的剛度都很大，在水平荷載作用下，側移較小，因此這種結構抗震及抗風性能都較強，承載力要求也比較容易滿足，適宜于建造層數較多的高層建筑。

1.3 剪力墻與其他結構型式組合的幾種結構體系

1.3.1 框架-剪力墻結構

框架-剪力墻結構是指框架與剪力墻組合而成的結構體系，既能靈活布置空間大小，又具有較大的側向剛度，廣泛用于層數較多、總高度較高的建筑，能夠滿足較多的建筑功能要求。對于地震區建筑，框架-剪力墻結構具有兩道抗震防線即剪力墻與框架。此外，框架-剪力墻結構仍然存在一些不足，由于功能要求，剪力墻布置位置可能會受到限制，不可避免地造成剛心、質心不重合，產生偏心扭矩。同時，其側向剛度還是偏小，房屋建造高度受到限制?？蚣?剪力墻結構在水平力作用下側向變形的特征為剪彎型(圖1)。

圖1 框架-剪力墻結構在水平力作用下的變形

1.3.2 異形柱框-剪結構

鋼筋混凝土異形柱框-剪結構兼有框架結構空間布置靈活和剪力墻結構剛度大、抗震性能好的優點。這種結構具有許多顯著的優點：柱的平面布置可靈活多變，在建筑平面隔墻交叉點布置異形柱，根據結構抗側力的需要，柱的數量可按需而定，墻肢長短由計算確定，受建筑功能的限制較少，可滿足業主對大開間建筑的需要。近年來，在住宅、辦公樓等建筑中應用日見增多。

1.3.3 框支剪力墻結構

當剪力墻結構的底部需要有大空間，剪力墻無法全部落地時，就需要采用底部框支剪力墻的框支剪力墻結構。其主要特點是：側向剛度在底層樓蓋處發生突變，在地震作用下可能會由于底層框架剛度太弱、強度不足、側移過大、延性不足而出現破壞，甚至導致結構倒塌，造成嚴重后果。

1.4 筒體結構

筒體結構是將剪力墻或密集框架柱集中到房屋的內部和外圍而形成的空間封閉式的筒體。其特點是：剪力墻集中而獲得較大的自由分割空間，四周的剪力墻圍成豎向薄壁筒和框架柱組成豎向箱形截面的框筒，形成整體，整體作用抗荷，適用于平面或豎向布置繁雜、水平荷載大的高層建筑。筒體結構分筒體-框架、框筒、筒中筒、束筒四種結構。

1.5 巨型結構

巨型結構是現代高層或超高層建筑的一種嶄新體系，是指整幢結構用巨柱、巨梁和巨型支撐等巨型桿件組成空間桁架，相鄰立面的支撐交匯在角柱，形成巨型空間桁架結構。此類結構能夠充分發揮材料性能，具有巨大抗側剛度及整體工作性能，可以滿足許多具有特殊形態和使用功能的建筑平立面要求，是一種非常合理的高層及超高層結構形式，已越來越多應用于工程實際中，前景廣闊。

2 結構體系優化選擇

結構選型是一個綜合性很強的半結構化優化決策問題，包含大量隨機性、模糊性和未確知性信息，對此要借助于先進的結構設計理論和計算手段與技術，還要參與者要具備一定的相關學科的學識、經驗才能很好地完成結構優選的任務。

2.1 結構優選影響因素

高層建筑結構體系選擇的影響因素眾多而且復雜，一個好的結構形式的選擇，不僅要考慮建筑的使用功能、結構上的安全合理、施工上的可能條件，還要考慮造價的經濟和選型的美觀，有時結構選型還受到投資者的影響?？偟膩碚f，將結構選型的目標影響因素可以歸為六類：結構的功能適應性、結構的受力合理性、結構的經濟有效性、結構的施工方便性、結構的抗災減災能力、結構的美學效應，具體如下圖2所示。

圖2 結構選型目標影響因素

2.2 結構優選方法

由于影響結構體系選擇的各種因素具有不同的特征，可分為不同層次,有些因素是可量化的，還有部分因素可能是非確定性因素,具有隨機性和模糊性,難以量化,不易于比較，因此這些因素對方案取舍的影響程度也就會因參與人及決策者的學識、經驗和主觀意向的不同而產生變化。

2.2.1 利用遺傳神經網絡初步選定結構形式

將遺傳算法和神經網絡相結合，綜合遺傳算法和神經網絡的優點，形成遺傳神經。在影響高層建筑選型的各方面因素中，提取可以量化的指標，例如層高、層數、場地土性質、設防烈度、最大風壓、最大層間位移等作為輸入節點，高層建筑的結構形式作為輸出節點，收集樣本，利用遺傳神經網絡進行訓練和檢測。在建筑結構設計的初期階段得到比較適合該建筑的結構形式。

2.2.2 運用模糊綜合評判評估已定結構形式

高層建筑結構選型是一個定性因素與定量因素相結合的問題，在設計初期階段利用遺產神經網絡考慮定量因素對建筑結構進行了初步選擇，對結構選型時許多不可量化的影響因素，例如經濟性、審美要求等，則可以在方案的評價階段利用基于層次分析法的模糊綜合評判方法考慮 。

由于結構選型的復雜性和不確定性，單獨采用某一種結構選擇方法進行結構優選可能會導致預測結果不準確，失去了優選的意義，而這種將遺傳神經網絡與模糊數學相結合的方法，合理全面的考慮了影響高層建筑的定性與定量因素，使選型更加科學、簡明，更具有說服力。

3 結束語

文章主要探討了近期高層建筑結構的基本型式、影響選型的因素與一種綜合選型方法。此外，除了文中提到的一些因素與方法以外，在具體建筑結構的選型設計中還可以根據實際情況進行一些例證，從中發現問題然后進一步創新與改進。

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