優(yōu)化設(shè)計(jì)方法分析及其在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

【摘要】近幾年，隨著吳國高層建筑的飛速發(fā)展， 建筑高度也隨之不斷增加， 建筑類型與功能的越來越復(fù)雜， 結(jié)構(gòu)體系的更加多樣化， 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也越來越成為結(jié)構(gòu)工程師設(shè)計(jì)工作的主要重點(diǎn)和難點(diǎn)之所在。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的四個特點(diǎn)即水平荷載成為決定因素、軸向變形不容忽視、側(cè)移成為控制指標(biāo)、結(jié)構(gòu)延性是重要設(shè)計(jì)指標(biāo)。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，當(dāng)建筑方案產(chǎn)生后，結(jié)構(gòu)從選型和布置開始就存在優(yōu)化與否的問題，再加上后續(xù)每一道工序的精心設(shè)計(jì)、準(zhǔn)確計(jì)算、合理選用等全過程的優(yōu)化設(shè)計(jì)才能產(chǎn)生優(yōu)化的結(jié)構(gòu)。下面就結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的一些途徑，談一點(diǎn)看法，以期與廣大結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員共勉。

【關(guān)鍵詞】建筑結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；體系分析；方案應(yīng)用

一、城市高層建筑的一般結(jié)構(gòu)體系

1.1 框架一剪力墻體系

當(dāng)框架體系的強(qiáng)度和剛度不能滿足要求時，往往需要在建筑平面的適當(dāng)位置設(shè)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(xié)同工作的結(jié)構(gòu)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。框架一剪力墻體系的位移曲線呈彎剪型。剪力墻的設(shè)置，增大了結(jié)構(gòu)的側(cè)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(nèi)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(dāng)受力主體結(jié)構(gòu)全部由平面剪力墻構(gòu)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(jié)構(gòu)，其位移曲線呈彎曲型。剪力墻體系的強(qiáng)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(qiáng)，是一種良好的結(jié)構(gòu)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(cè)力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)體系統(tǒng)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(gòu)件，分實(shí)腹筒和空腹筒兩種類型。實(shí)腹筒是由平面或曲面墻圍成的三維豎向結(jié)構(gòu)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(gòu)成的空間受力構(gòu)件。簡體體系具有很大的剛度和強(qiáng)度，各構(gòu)件受力比較合理，抗風(fēng)、抗震能力很強(qiáng)，往往應(yīng)用于大跨度、大空間或超高層建筑。

二、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

2.1 水平荷載成為決定因素

一方面， 因?yàn)闃欠孔灾睾蜆敲媸褂煤奢d在豎向構(gòu)件中所引起的軸力和彎矩的數(shù)值，僅與樓房高度的一次方成正比； 而水平荷載對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩， 以及由此在豎向構(gòu)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(fēng)荷載和地震作用， 其數(shù)值是隨結(jié)構(gòu)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(shù)值很大， 能夠在柱中引起較大的軸向變形， 從而會對連續(xù)梁彎矩產(chǎn)生影響， 造成連續(xù)梁中間支座處的負(fù)彎矩值減小， 跨中正彎矩和端支座負(fù)彎矩值增大； 還會對預(yù)制構(gòu)件的下料長度產(chǎn)生影響， 要求根據(jù)軸向變形計(jì)算值， 對下料長度進(jìn)行調(diào)整； 另外對構(gòu)件剪力和側(cè)移產(chǎn)生影響， 與考慮構(gòu)件豎向變形比較， 會得出偏于不安全的結(jié)果。

2.3 側(cè)移成為控制指標(biāo)

與較低樓房不同， 結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素。隨著樓房高度的增加， 水平荷載下結(jié)構(gòu)的側(cè)移變形迅速增大， 因而結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的側(cè)移應(yīng)被控制在某一限度之內(nèi)。

三、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題

3.1 結(jié)構(gòu)選型

對于結(jié)構(gòu)選型來說，相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范在這方面的波動較大，新的設(shè)計(jì)規(guī)范相對于舊的規(guī)范增添了相當(dāng)多約束條件，在設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了部分限制：例如： 平面規(guī)則性信息、嵌固端上下層剛度比信息等， 而且， 新規(guī)范采用強(qiáng)制性條文明確規(guī)定“建筑不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計(jì)方案。”因此， 結(jié)構(gòu)工程師在遵循新規(guī)范的這些限制條件上必須嚴(yán)格注意， 以避免后期施工圖設(shè)計(jì)階段工作的被動。

結(jié)構(gòu)的超高問題。在抗震規(guī)范與高規(guī)中， 對結(jié)構(gòu)的總高度都有嚴(yán)格的限制， 尤其是新規(guī)范中針對以前的超高問題， 除了將原來的限制高度設(shè)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(jié)構(gòu)的該項(xiàng)控制因素嚴(yán)格注意， 一旦結(jié)構(gòu)為B級高度建筑或超過了B 級高度，其設(shè)計(jì)方法和處理措施將有較大的變化。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中， 出現(xiàn)過由于結(jié)構(gòu)類型的變更而忽略該問題， 導(dǎo)致施工圖審查時未予通過， 必須重新進(jìn)行設(shè)計(jì)或需要開專家會議進(jìn)行論證等工作的情況， 對工程工期、造價等整體規(guī)劃的影響相當(dāng)巨大。

3.2 地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)一直是結(jié)構(gòu)工程師比較重視的方面，不僅僅由于該階段設(shè)計(jì)過程的好與壞將直接影響后期設(shè)計(jì)工作的進(jìn)行， 同時， 也是因?yàn)榈鼗A(chǔ)也是整個工程造價的決定性因素， 因此， 在這一階段， 所出現(xiàn)的問題也有可能更加嚴(yán)重甚至造成無法估量的損失。

在地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中要注意地方性規(guī)范的重要性問題。由于我國占地面積較廣， 地質(zhì)條件相當(dāng)復(fù)雜， 作為國家標(biāo)準(zhǔn)， 僅僅一本《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》無法對全國各地的地基基礎(chǔ)都進(jìn)行詳細(xì)的描述和規(guī)定， 因此， 作為建立在國家標(biāo)準(zhǔn)之下的地方標(biāo)準(zhǔn)。地方性的《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》 能夠?qū)⒏鞯胤降牡鼗A(chǔ)類型和設(shè)計(jì)處理方法等一些成熟的經(jīng)驗(yàn)描述和規(guī)定得更為詳細(xì)和準(zhǔn)確， 所以， 在進(jìn)行地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時， 首先要深入學(xué)習(xí)地方性規(guī)范，了解相關(guān)規(guī)范政策，從而更好地為整個工程的總體設(shè)計(jì)以及后期工作鋪平道路。

3.3 結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析

在結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析階段， 如何準(zhǔn)確， 高效地對工程進(jìn)行內(nèi)力分析并按照規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和處理， 是決定工程設(shè)計(jì)質(zhì)量好壞的關(guān)鍵。由于新規(guī)范的推出對結(jié)構(gòu)整體計(jì)算和分析部分相當(dāng)多的內(nèi)容進(jìn)行了調(diào)整和改進(jìn)， 因此， 對這一階段比較常見的問題應(yīng)該有一個清晰的認(rèn)識。

結(jié)構(gòu)整體計(jì)算的軟件選擇。目前比較通用的計(jì)算軟件有： SATWE、TAT、TBSA等， 但是， 由于各軟件在采用的計(jì)算模型上存在著一定的差異， 因此導(dǎo)致了各軟件的計(jì)算結(jié)果有或大或小的不同。所以， 在進(jìn)行工程整體結(jié)構(gòu)計(jì)算和分析時必須依據(jù)結(jié)構(gòu)類型和計(jì)算軟件模型的特點(diǎn)選擇合理的計(jì)算軟件， 并從不同軟件相差較大的計(jì)算結(jié)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(jié)構(gòu)工程師在設(shè)計(jì)工作中首要的工作。否則， 如果選擇了不合適的計(jì)算軟件， 不但會浪費(fèi)大量的時間和精力， 而且有可能使結(jié)構(gòu)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(nèi)容實(shí)際上在新老規(guī)范中都有提及， 只是，在新規(guī)范中根據(jù)大量工程的實(shí)測周期明確提出了各種結(jié)構(gòu)體系下高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算自振周期折減系數(shù)。

四、結(jié)束語

總之， 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個長期、復(fù)雜甚至循環(huán)往復(fù)的過程， 任何在這過程中的遺漏或錯誤都有可能使整個設(shè)計(jì)過程變得更加復(fù)雜或使設(shè)計(jì)結(jié)果存在不安全因素。

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