談?wù)摳邔咏ㄖY(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究

深圳機(jī)械院建筑設(shè)計(jì)有限公司東莞分公司 523070

摘要：筆者長(zhǎng)期從事高層建筑設(shè)計(jì)的研究工作，2013年有參加金田花園三期、華南摩爾改造工程、云浮港機(jī)、合肥世紀(jì)榮廷小區(qū)等等項(xiàng)目，旨在與同行探究學(xué)習(xí)共同進(jìn)步。

關(guān)鍵詞：建筑體系；應(yīng)用；發(fā)展

高層建筑經(jīng)常以建筑的高度和層數(shù)兩個(gè)指標(biāo)來(lái)判定，但世界范圍內(nèi)現(xiàn)在還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的劃分標(biāo)準(zhǔn)。高層建筑是隨著社會(huì)生產(chǎn)的發(fā)展和人們生活的需要而發(fā)展起來(lái)的。

1.高層建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展

組合結(jié)構(gòu)的高層建筑發(fā)展迅速。采用組合結(jié)構(gòu)可建造比混凝土結(jié)構(gòu)更高的建筑，不但具有優(yōu)異的靜、動(dòng)力工作性能，而且能大節(jié)約鋼材、降低工程造價(jià)和加快施工進(jìn)度。在不同的情況下，可以取代鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)，科技含量也較高，對(duì)環(huán)境污染也較少，己廣泛應(yīng)用于冶金、造船、電力、交通等部門(mén)的建筑中，并以迅猛的勢(shì)頭進(jìn)入了橋梁工程和高層與超高層建筑中，隨著混凝土強(qiáng)度的提高以及構(gòu)造和施工技術(shù)上的改進(jìn)，組合結(jié)構(gòu)在高層建筑中的應(yīng)用可望進(jìn)一步擴(kuò)大。

2.新型結(jié)構(gòu)形式的應(yīng)用不斷增加

框架體系、剪力墻體系和框架一剪力墻（支撐）體系是高層建筑的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系。根據(jù)筒體的不同組成方式，可分為框筒體系、筒中筒體系和多束筒體系這3種類型。筒體最主要的受力特點(diǎn)是它的空間受力性能。無(wú)論哪一種筒體，在水平力作用下都可以看成固定于基礎(chǔ)上的箱形懸臂構(gòu)件，所以，該種體系廣泛應(yīng)用于多功能、多用途、層數(shù)較多的商層建筑中。

鋼筋混凝土材料重新得到重視

與鋼結(jié)構(gòu)相比，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有整體性好、剛度大、位移小、舒適度佳、耐腐蝕、耐高溫、耐火、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。因此，即使是在美、日等鋼鐵工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家，鋼筋混凝土造價(jià)還是低于鋼結(jié)構(gòu)。

智能建筑的發(fā)展異軍突起

現(xiàn)代建筑技術(shù)和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的結(jié)合促成了智能建筑的產(chǎn)生，在高層建筑中有更廣闊的應(yīng)用前景。智能建筑是裝備、服務(wù)、經(jīng)營(yíng)以及建筑這四要素相互聯(lián)系、全面綜合以及各自優(yōu)化并達(dá)到最佳組合，以獲得高功能與高效率的建筑物。智能建筑是通過(guò)對(duì)建筑物的4個(gè)基本要素，即服務(wù)、管理、結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)等等。智能建筑的構(gòu)成至少必須具備三大系統(tǒng)：辦公自動(dòng)化、動(dòng)化系統(tǒng)、通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及系統(tǒng)設(shè)備管理等等。并且應(yīng)用現(xiàn)代4 C技術(shù)構(gòu)成智能建筑結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，結(jié)合現(xiàn)代化的服務(wù)與管理方式給人們提供一個(gè)安全、舒適的生活、學(xué)習(xí)與工作環(huán)境空間。

3.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系

剪力墻結(jié)構(gòu) 高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)，指的是使用平面剪力墻作為建筑主體的受力結(jié)構(gòu)。高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，水平作用力與荷載都作用于單片剪力墻，而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依靠剛性的結(jié)構(gòu)，使建筑保持更高的剛度與強(qiáng)度，而位移的曲線則出現(xiàn)變曲的形態(tài)。在高層建筑中，剪力墻有很多優(yōu)勢(shì)，特別適用于超出框架的高度時(shí)，是性能良好且具有穩(wěn)定狀態(tài)的結(jié)構(gòu)體系。

筒體結(jié)構(gòu) 筒體結(jié)構(gòu)是把筒體當(dāng)作抗側(cè)力的構(gòu)件。一般的高層建筑物使用的筒體受力構(gòu)件可以分成空腹筒和實(shí)腹筒兩類。筒體結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)勢(shì)在于：筒體結(jié)構(gòu)具有較大的強(qiáng)度和剛度，結(jié)構(gòu)體系內(nèi)各個(gè)構(gòu)件受力比較均勻，具有更好的抗震性能與抗風(fēng)性能。筒體結(jié)構(gòu)對(duì)空間和跨度大的高層建筑，可以發(fā)揮出更大的優(yōu)勢(shì)。

框架結(jié)構(gòu) 高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一般使用框架結(jié)構(gòu)時(shí)，要利用柱體和梁架及基礎(chǔ)組成平面的框架，將平面框架作為建筑主要的承重結(jié)構(gòu)，并且利用梁連接來(lái)實(shí)現(xiàn)平面框架組合的整體空間的結(jié)構(gòu)體系。框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于：可以靈活的進(jìn)行建筑平面的布置，對(duì)空間容積大的餐廳與會(huì)議室等可以更好的設(shè)置。

框架與剪力墻 通過(guò)水平荷載作用，將剛度強(qiáng)的樓板與連梁與剪力墻和框架結(jié)構(gòu)共同組合成整體的結(jié)構(gòu)，一同進(jìn)行水平力的承擔(dān)。而應(yīng)用了框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的高層建筑，還是要靠剪力墻承擔(dān)水平剪力的作用，垂直荷載力由框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行承擔(dān)，而位移的曲線會(huì)出現(xiàn)彎剪的形態(tài)。框架-剪力墻結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)勢(shì)在于：由于增加了剪力墻，可能使整個(gè)建筑的結(jié)構(gòu)體系剛度增強(qiáng)，而建筑位移值有效降低，同時(shí)，還能使原本框結(jié)構(gòu)承擔(dān)的水平剪力朝著豎向的方向進(jìn)行受力的分散。可見(jiàn)，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系較框架體系具有更好的適用性。

4.現(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的缺陷

豎向荷載相比，側(cè)向荷載對(duì)建筑物的效應(yīng)不是線性增加的，然而隨著建筑高度的增高而增大。在現(xiàn)代高層建筑中，問(wèn)題不僅僅是抗剪，而是更重要的是整體抗彎和抵抗變形。可見(jiàn)現(xiàn)代建筑的高層結(jié)構(gòu)受力性能與低層建筑有很大的差異，存在扭轉(zhuǎn)、水平側(cè)向位移以及剪重比等問(wèn)題。相比于低層、多層和高層建筑，豎向和水平向結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)基本原理都是相同的，但是隨著高度的不斷增加，豎向結(jié)構(gòu)體系成為設(shè)計(jì)的控制因素。其原因有兩個(gè)：一、側(cè)向力所產(chǎn)生的傾覆力矩和剪切變形要大得多；二、較大的垂直荷載要求有較大的柱以及墻或者井筒。

5.設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題

優(yōu)化的目標(biāo)還不能完全符合工程的需要。由于實(shí)際結(jié)構(gòu)問(wèn)題往往十分復(fù)雜，存在設(shè)計(jì)變量多、約束條件多、受建筑功能限制較大等難點(diǎn)多種因素甚至不確定性因素使得目標(biāo)函數(shù)在建立后只能得到相對(duì)最優(yōu)解。然而現(xiàn)在尚沒(méi)有實(shí)用的高層建筑優(yōu)化分析軟件而是使用現(xiàn)有的各種計(jì)算機(jī)分析軟件進(jìn)行截面優(yōu)化，并不是簡(jiǎn)單的幾次嘗試就能達(dá)到效果的。所以，無(wú)論是機(jī)時(shí)還是設(shè)計(jì)進(jìn)度，都較難允許實(shí)施這種優(yōu)化方。多高層建筑設(shè)計(jì)項(xiàng)目，結(jié)構(gòu)方案和布置還是比較合理的，其構(gòu)件截面也是同類型結(jié)構(gòu)中常用的尺寸，但是計(jì)算分析后還存在某些薄弱環(huán)節(jié)，為了改善這種受力狀況，增大構(gòu)件截面卻未能得到明顯改善，反而增加了材料耗量。只重視結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化，即在給定結(jié)構(gòu)的幾何形狀、拓?fù)浜筒牧系那闆r下，求出滿足約束條件的最優(yōu)構(gòu)件截面，而忽視結(jié)構(gòu)整體的優(yōu)化。

離散變量?jī)?yōu)化問(wèn)題 建筑物尺寸以及型鋼規(guī)格型號(hào)等都不是連續(xù)變化的。所以傳統(tǒng)的優(yōu)化方法：例如各種對(duì)偶算法和梯度算法等解析算法均無(wú)法勝任而且。基于問(wèn)題的規(guī)模較大，隨之帶來(lái)的計(jì)算量急劇增加的“組合爆炸”問(wèn)題也會(huì)使計(jì)算量急劇增加。

6.工程優(yōu)化設(shè)計(jì)理論的發(fā)展

工程設(shè)計(jì)軟科學(xué)的發(fā)展 在工程設(shè)計(jì)中，更重要的是必須進(jìn)行很多運(yùn)籌、決策和規(guī)劃的工作，因此工程設(shè)計(jì)可能是硬科學(xué)和軟科學(xué)的結(jié)合，這就需要建立全面的、嶄新的工程設(shè)計(jì)理論。在土建工程設(shè)計(jì)的前期，有許多重大的問(wèn)題需要進(jìn)行科學(xué)的決策，包括工程項(xiàng)目的可行性論證、工程項(xiàng)目的總體規(guī)劃及結(jié)構(gòu)的造型、結(jié)構(gòu)設(shè)防水平以及功能優(yōu)化的決策等.所有這些前期的決策工作，其影響都必須遠(yuǎn)大于目前的以結(jié)構(gòu)計(jì)算為主的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。

工程項(xiàng)目功能優(yōu)化的發(fā)展 在經(jīng)過(guò)可行性論證決定了工程項(xiàng)目的任務(wù)、規(guī)模以及建設(shè)地點(diǎn)、建設(shè)分期等重大問(wèn)題之后，就需要重新考慮工程建設(shè)的總體布局及規(guī)劃，這也是一個(gè)重大的決策，直接影響工程的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益、運(yùn)行的功能以及對(duì)環(huán)境的美學(xué)效應(yīng)。在優(yōu)化整個(gè)工程項(xiàng)目的功能時(shí)，可以利用價(jià)值工程的某些概念和手段來(lái)改善現(xiàn)有的方法。

工程項(xiàng)目全壽命優(yōu)化的發(fā)展 以往的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論針對(duì)的都是具體的結(jié)構(gòu)，但是在工程實(shí)際中，一般都是整個(gè)工程大系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，其中由眾多系統(tǒng)或者結(jié)構(gòu)組成，具有變量種類多、約束藕合、多目標(biāo)以及等高維數(shù)等復(fù)雜難點(diǎn)。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論、計(jì)算施工技術(shù)以及分析水平等不斷提高，高層建筑結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系也將多元化，追求更具合理性和創(chuàng)新性的結(jié)構(gòu)形式，也是結(jié)構(gòu)工程師們今后不斷努力的目標(biāo)和方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉夏石.工程饑餓夠設(shè)計(jì)優(yōu)化[M].北京：科學(xué)出版社，2008：14-19.

[2]唐京華.基于實(shí)用與效果的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法應(yīng)用[J].2012.