優化設計方法分析及其在建筑結構設計中的應用

【摘要】近幾年，隨著吳國高層建筑的飛速發展， 建筑高度也隨之不斷增加， 建筑類型與功能的越來越復雜， 結構體系的更加多樣化， 高層建筑結構設計也越來越成為結構工程師設計工作的主要重點和難點之所在。高層建筑結構設計的四個特點即水平荷載成為決定因素、軸向變形不容忽視、側移成為控制指標、結構延性是重要設計指標。在建筑結構設計中，當建筑方案產生后，結構從選型和布置開始就存在優化與否的問題，再加上后續每一道工序的精心設計、準確計算、合理選用等全過程的優化設計才能產生優化的結構。下面就結構設計優化的一些途徑，談一點看法，以期與廣大結構設計人員共勉。

【關鍵詞】建筑結構；優化設計；體系分析；方案應用

一、城市高層建筑的一般結構體系

1.1 框架一剪力墻體系

當框架體系的強度和剛度不能滿足要求時，往往需要在建筑平面的適當位置設置較大的剪力墻來代替部分框架，便形成了框架一剪力墻體系。在承受水平力時，框架和剪力墻通過有足夠剛度的樓板和連梁組成協同工作的結構體系。在體系中框架體系主要承受垂直荷載，剪力墻主要承受水平剪力?？蚣芤患袅w系的位移曲線呈彎剪型。剪力墻的設置，增大了結構的側向剛度，使建筑物的水平位移減小，同時框架承受的水平剪力顯著降低內力沿豎向的分布趨于均勻，所以框架～剪力墻體系的能建高度要大于框架體系。

1.2 剪力墻體系

當受力主體結構全部由平面剪力墻構件組成時，即形成剪力墻體系。在剪力墻體系中，單片剪力墻承受了全部的垂直荷載和水平力。剪力墻體系屬剛性結構，其位移曲線呈彎曲型。剪力墻體系的強度和剛度都比較高，有一定的延性，傳力直接均勻，整體性好，抗倒塌能力強，是一種良好的結構體系，能建高度大于框架或框架一剪力墻體系。

1.3 筒體體系

凡采用筒體為抗側力構件的結構體系統稱為筒體體系，包括單筒體、簡體一框架、筒中筒、多束筒等多種型式。簡體是一種空間受力構件，分實腹筒和空腹筒兩種類型。實腹筒是由平面或曲面墻圍成的三維豎向結構單體，空腹筒是由密排柱和窗裙梁或開孔鋼筋混凝土外墻構成的空間受力構件。簡體體系具有很大的剛度和強度，各構件受力比較合理，抗風、抗震能力很強，往往應用于大跨度、大空間或超高層建筑。

二、高層建筑結構設計特點

2.1 水平荷載成為決定因素

一方面， 因為樓房自重和樓面使用荷載在豎向構件中所引起的軸力和彎矩的數值，僅與樓房高度的一次方成正比； 而水平荷載對結構產生的傾覆力矩， 以及由此在豎向構件中引起的軸力， 是與樓房高度的兩次方成正比； 另一方面， 對某一定高度樓房來說，豎向荷載大體上是定值， 而作為水平荷載的風荷載和地震作用， 其數值是隨結構動力特性的不同而有較大幅度的變化。

2.2 軸向變形不容忽視

高層建筑中， 豎向荷載數值很大， 能夠在柱中引起較大的軸向變形， 從而會對連續梁彎矩產生影響， 造成連續梁中間支座處的負彎矩值減小， 跨中正彎矩和端支座負彎矩值增大； 還會對預制構件的下料長度產生影響， 要求根據軸向變形計算值， 對下料長度進行調整； 另外對構件剪力和側移產生影響， 與考慮構件豎向變形比較， 會得出偏于不安全的結果。

2.3 側移成為控制指標

與較低樓房不同， 結構側移已成為高層建筑結構設計中的關鍵因素。隨著樓房高度的增加， 水平荷載下結構的側移變形迅速增大， 因而結構在水平荷載作用下的側移應被控制在某一限度之內。

三、高層建筑結構設計應注意的問題

3.1 結構選型

對于結構選型來說，相關設計規范在這方面的波動較大，新的設計規范相對于舊的規范增添了相當多約束條件，在設計方面進行了部分限制：例如： 平面規則性信息、嵌固端上下層剛度比信息等， 而且， 新規范采用強制性條文明確規定“建筑不應采用嚴重不規則的設計方案?！币虼?， 結構工程師在遵循新規范的這些限制條件上必須嚴格注意， 以避免后期施工圖設計階段工作的被動。

結構的超高問題。在抗震規范與高規中， 對結構的總高度都有嚴格的限制， 尤其是新規范中針對以前的超高問題， 除了將原來的限制高度設定為A 級高度的建筑外，增加了B級高度的建筑， 因此， 必須對結構的該項控制因素嚴格注意， 一旦結構為B級高度建筑或超過了B 級高度，其設計方法和處理措施將有較大的變化。在實際工程設計中， 出現過由于結構類型的變更而忽略該問題， 導致施工圖審查時未予通過， 必須重新進行設計或需要開專家會議進行論證等工作的情況， 對工程工期、造價等整體規劃的影響相當巨大。

3.2 地基與基礎設計

地基與基礎設計一直是結構工程師比較重視的方面，不僅僅由于該階段設計過程的好與壞將直接影響后期設計工作的進行， 同時， 也是因為地基基礎也是整個工程造價的決定性因素， 因此， 在這一階段， 所出現的問題也有可能更加嚴重甚至造成無法估量的損失。

在地基基礎設計中要注意地方性規范的重要性問題。由于我國占地面積較廣， 地質條件相當復雜， 作為國家標準， 僅僅一本《地基基礎設計規范》無法對全國各地的地基基礎都進行詳細的描述和規定， 因此， 作為建立在國家標準之下的地方標準。地方性的《地基基礎設計規范》 能夠將各地方的地基基礎類型和設計處理方法等一些成熟的經驗描述和規定得更為詳細和準確， 所以， 在進行地基基礎設計時， 首先要深入學習地方性規范，了解相關規范政策，從而更好地為整個工程的總體設計以及后期工作鋪平道路。

3.3 結構計算與分析

在結構計算與分析階段， 如何準確， 高效地對工程進行內力分析并按照規范要求進行設計和處理， 是決定工程設計質量好壞的關鍵。由于新規范的推出對結構整體計算和分析部分相當多的內容進行了調整和改進， 因此， 對這一階段比較常見的問題應該有一個清晰的認識。

結構整體計算的軟件選擇。目前比較通用的計算軟件有： SATWE、TAT、TBSA等， 但是， 由于各軟件在采用的計算模型上存在著一定的差異， 因此導致了各軟件的計算結果有或大或小的不同。所以， 在進行工程整體結構計算和分析時必須依據結構類型和計算軟件模型的特點選擇合理的計算軟件， 并從不同軟件相差較大的計算結果中，判斷哪個是合理的、哪個是可以作為參考的， 哪個又是意義不大的， 這將是結構工程師在設計工作中首要的工作。否則， 如果選擇了不合適的計算軟件， 不但會浪費大量的時間和精力， 而且有可能使結構有不安全的隱患存在。

是否需要地震力放大， 考慮建筑隔墻等對自振周期的影響。該部分內容實際上在新老規范中都有提及， 只是，在新規范中根據大量工程的實測周期明確提出了各種結構體系下高層建筑結構計算自振周期折減系數。

四、結束語

總之， 高層建筑結構設計是一個長期、復雜甚至循環往復的過程， 任何在這過程中的遺漏或錯誤都有可能使整個設計過程變得更加復雜或使設計結果存在不安全因素。

參考文獻：

[1] 周堅.高層建筑結構力學[M].北京，機械工業出版社，2006

[2] 陸湘昆，王東.應用PKPM 結構設計軟件應重視的問題[J].四川建筑科學研究，2005

[3] GB50010-2002， 混凝土結構設計規范[S].北京： 中國建筑工業出版社.

[4] GB50011-2001， 建筑抗震設計規范[S].北京： 中國建筑工業出版社.

[5] 黃教玄. 高層建筑結構設計問題的探討[J]. 科技創新導報.2009