淺析某高層建筑的結構優化設計

劉姍姍 鄭展展

摘要：本文結合某高層建筑的工程案例，針對建筑結構設計的優化進行概述，提出了一些問題及解決的策略，望為類似工程具有參考價值。

關鍵詞：高層建筑； 結構； 設計； 優化

1 工程概況

某高層建筑屬綜合建筑。主樓占地面積9383 m2，總建筑面積19537 m2，主樓高74.8 m， 地面以上19 層、地下1 層，主樓建筑面積為12091 m2；裙樓高3 層， 建筑面積為7 646 m2。

1.1 結構承重體系設計

綜合考慮裙樓部分大空間的設計使用要求，以及主樓部分的抗側移設計要求， 裙房結構承重體系采用鋼筋混凝土框架結構形式， 主樓采用框架—剪力墻承重結構體系。

本建筑結構在主樓抗側力構件設計中，剪力墻主要承擔水平作用， 框架承擔少部分水平荷載作用和大部分豎向荷載作用。主樓平面形狀基本上為正方形， 樓梯均設置在角部位置。為提高主樓結構的抗扭能力，剪力墻結合樓電梯間設在主樓結構的兩個對角位置， 具體厚度根據高層建筑結構設計的變形限值， 由剛度、承載力和延性三者間的最佳匹配決定。

1.2 基礎設計

根據《工程地質勘察報告》提供的場地工程地質條件， 并考慮主樓和裙房間荷載分布的不均勻性特點，主樓部分結合地下室的設計采用深樁筏板基礎， 以提高主樓結構的整體穩定性，降低主樓部分的沉降變形。

裙房部分采用柱下條形基礎，通過修工條形基礎的寬度來調整基底反力，進一步控制裙房部分的基礎沉降變形，使主樓結構和裙房結構在各自使用荷載作用下， 能產生基本上一致的基礎沉降變形量。

2 結構優化設計策略

鋼筋混凝土框架—剪力墻結構是高層建筑結構中最常采用的承載體系之一， 它具有框架結構建筑平面布置靈活， 能獲得大空間， 建筑立面易于處理， 以及剪力墻結構抗側移剛度大、整體性好、抗震能力強的優點。在水平荷載作用下， 具有較純框架和純剪力墻結構更為有利的水平變形曲線。但鋼筋混凝土框— 剪結構是一個具有雙重承載體系的非常復雜的空間受力體系， 力學分析難度較大， 其優化設計就更為復雜和難以實現。所以， 盡管國內外學者對此做過許多有益的嘗試， 但框— 剪結構的優化設計還存在很多具有重大工程意義和科學意義的課題。

2.1 框架結構的分部優化設計技術

鋼筋混凝土框架結構屬于具有多個多余約束的超靜定結構， 其荷載效應不僅與外荷載大小有關，還與結構構件的材料特征、幾何構造特征有關。鋼筋混凝土框架結構的分部優化設計， 即是在結構整體內力分析完成后， 根據梁柱各構件的控制內力進行截面優化設計， 確定滿足荷載效應水平要求的各結構構件的幾何特征和配筋量的優化結果， 由此導致原結構的幾何特征和荷載特征發生變化。優化結構在現荷載作用下內力分布特征發生變化， 各構件控制截面上的控制內力也發生相應變化， 據此再進行新一輪的優化設計。因此框架結構的分部優化設計實際上是一個迭代、漸進的尋優過程， 計算結果雖不能總等價于整體優化設計結果， 但通常能給出工程實用的滿意結果。

鋼筋混凝土框架結構的分部優化設計方法的具體步驟為：

a ） 初始選型： 根據結構平面、立面布置及建筑物設計使用功能， 分析結構所受的豎向荷載和水平荷載及其傳力路線， 并考慮施工因素， 歸并框架梁、柱的類型， 初選梁柱的幾何尺寸。

b ） 結構分析： 按照結構的實際幾何構造特征，計算結構所受豎向荷載及水平荷載， 對鋼筋混凝土結構進行空間內力分析。根據結構分析結果， 將截面尺寸相同的構件來控制截面內力， 根據其大小進行分類， 并確定每一類構件的設計控制內力。

c ） 截面優化設計： 針對每一種梁柱構件的控制內力進行優化設計， 得出優化約束條件下的結構幾何構造特征和配筋特征的優化設計結果， 從而構成新的優化意義上的設計結構。

d ） 收斂性判斷： 在工程精度意義上選取一個較小的數值， 作為檢驗結構收斂性的條件， 進行收斂性判斷， 若優化結構與原結構基本一致， 則認為優化結構是收斂的， 可以轉入下一步的可行性判斷， 否則轉回第b ） 步重新進行結構分析、優化設計。

e ） 可行性判斷： 對優化設計結果進行一次內力分析， 檢驗其可用性， 若整體分析能夠滿足工程設計要求， 則可按此方案進行配筋和構造處理，作為最終的優化設計結果。否則需根據工程經驗和結構內力分析結果進行局部調整， 直到方案可用為止。

2.2 框— 剪結構的三階段優化設計策略

框—剪結構的設計主要涉及3個方面的優化問題：①結構最優設防水平的決策；②框架與剪力墻結構協同工作，以及承載力、剛度與延性變形能力間的最佳匹配設計；③框架—剪力墻結構構件的優化設計。

2.2.1 第一階段： 最優設防水平的優化決策

根據地震危險性分析結果或地震區劃規定， 在預測地震烈度概率分析基礎上， 用模糊綜合評判法計算結構的模糊延性向量和模糊抗震強度、損傷等級概率和震害損失的預估期望值E（Id），在滿足最大投資約束和最大損失約束條件下，使k1C（Id）+K2K3E（Id）達到最小，求出最優抗震設防烈度Id。

2.2.2 第二階段： 剪力墻構件的優化設計

剪力墻結構構件的優化設計主要是結構剛度與延性指標的最佳組合，可用力學準則進行優化。結構剛度對結構的影響主要為結構的自振周期和側向位移， 結構延性對結構的影響主要為保持承載力前提下的變形能力。因此，可用結構整體的側向位移量來協調結構的剛度和延性。根據高層結構設計規范對結構層間位移和頂點總側移的限值來控制結構的剛度設計和延性設計。

2.2.3 第三階段：框架結構的優化設計

框架結構的優化設計準則是一個結構準則，在一次整體分析完成之后，可按照前述方法對框— 剪結構中的框架部分進行優化設計。

2.2.4 框— 剪結構的優化設計步驟

a ） 分析結構平面、立面布置特點，根據工程經驗選定剪力墻抗側力構件的布置位置及幾何厚度；

b ） 根據結構使用荷載特點，根據經驗歸并框架結構類型，并初步選定每一類型框架結構梁柱構件的幾何尺寸；

c ） 進行整體結構的空間內力分析；

d ） 根據結構分析計算結果，檢查結構的層間位移及頂點總位移是否滿足規范要求，若滿足規范要求，則轉入第e ）步進行判斷；若不滿足規范要求， 則直接返回第a ）步，進行剪力墻水平截面面積的修正；

e ） 剛度最優化判斷： 比較結構實際側移值和規范限值，若max（δ/h）-[δ/h] / [δ/h]≤ε1且max（Δ/H）-[Δ/H]/[Δ/H]≤ε2，則轉入第f） 步進行計算； 否則轉入第a）步，并用原剪力墻厚度乘以修正系數，來修正剪力墻幾何尺寸， 重新進行結構分析；

f ） 分別進行剪力墻和框架結構構件的截面優化設計；

g ） 收斂性判斷：比較優化結構與原結構的接近程度，若優化結構與原結構基本一致， 則認為優化結構是收斂的，可以轉入下一步進行可行性判斷，否則將優化結構作為原結構轉回第c）步重新進行結構分析、優化設計；

h ） 可行性判斷：對優化設計結果進行一次內力分析，檢驗其可用性，若整體分析能夠滿足工程設計要求， 則可按此方案進行配筋和構造處理，作為最終的優化設計結果；否則需根據工程經驗和結構內力分析結果進行局部調整，直到方案可用為止。

3 結語

高層建筑結構優化設計是一個亟待解決而又非常復雜的工程難題，特別是超高層建筑或大跨結構的優化設計不僅具有顯著的經濟效益，而且對結構受力的合理性以及新型結構形式的研究和推廣都具有十分重要的科學意義。