建筑結構設計優化方法及應用探討

馬 強

(陜西恒瑞建筑設計工程有限公司，陜西 西安 710004)

0 引言

建筑結構體系與經濟、科學技術的發展均存在緊密的關聯。古代建筑結構具有笨重、內部使用空間狹小的特點，自19世紀80年代工業化改革后，建筑結構內部使用空間逐步擴大，以鋼材與混凝土材料相結合的不同類型新型結構體系持續涌現，開啟了現代工程建筑結構的新歷程。但是，在當前建筑結構設計過程中仍然存在性能分析不足、外部框架抗剪力與內部剛度矛盾顯著等問題，影響了建筑行業發展。基于此，探討建筑結構設計優化方法至關重要。

1 建筑結構設計項目概述

某建筑為高層商業辦公綜合樓，包括商業裙房(7層)、超高層辦公樓(35層)、地下室(3層)幾個部分。建筑總用地面積為25 631 m2，地上建筑面積為17 562 m2。建筑塔樓擬采用Low玻璃為主的外圍護結構，結構設計使用年限為50年，基本風壓依據基本風壓值為0.6 kN/m2的100年重現期的風壓，抗震設防類別為重點設防類(乙類)，設計基本地震加速度值為0.1 g，地面粗糙度類別設定為C類。

2 建筑結構設計優化方法

2.1 開發設計模型集成框架

建筑結構設計模型集成的最終要求是涵蓋建筑全生命周期數據信息。比如對于開有門和窗的一段墻體，其對應的模型集成框架需要涵蓋門、窗、墻等對象，具體信息為：類型、面積、寬/高、長/高、洞口面積、洞口數量、高/厚度以及界面屬性、材料、高×寬、受力特性、鋼筋布置等。建筑模型在建筑結構設計階段處于支配地位，由此產生的數據信息可以被結構設計所提取、集成，為建筑二次建模設計提供支持[1]。以基于BIM技術的建筑結構信息模型ASIM為例，可以Auto-desk的Revit、Graphisoft的ArchiCAD為例，可以IFC支撐下的標準數據模型格式為數據對象表達基礎，容納建筑對象材料、建筑基本繪圖信息、造價信息為依據，開展完整建筑模型集成框架的構建。具體建模流程為：在IFC標準約束下，接入基于DXF設計軟件、BIM設計軟件以及建筑規范，形成包含繪圖、造價、材料的建筑產品模型。進而將建筑產品模型中IFC工程文件轉化為中心文件，并借助C++編譯器、FORTRAN編譯器、PKPM圖形形式平臺，提取結構信息。提取結構信息后輸入結構產品模型中進行分析，形成結構規范的模型數據庫。

在結構規范的模型數據庫形成后，可以面向建筑結構設計過程，搭建ASIM集成框架體系。

ASIM集成框架體系(見圖1)從縱向來看，ASIM集成框架體系涵蓋了不同設計階段；從橫向來看，ASIM集成框架涵蓋了不同的體系，可以為設計者使用相關軟件、應用結構設計信息提供充足支持，滿足結構設計優化要求。

圖1 ASIM集成框架體系

2.2 確定初始目標、約束條件

在ASIM集成框架體系設計完畢后，設計人員可以結合預定條件，尋找相應尺寸的鋼筋截面面積以及已失效的概率參數，以便達成建筑工程整體造價最少要求。同時以保證結構可靠性為初始目標，進行與優化設計相符的約束條件設定，比如建筑裂縫寬度約束、尺寸大小約束、建筑本身強度約束、結構體系相關約束等，逐一對比目標性質的約束條件、實際性質的約束條件，保證每一約束條件與整體建筑結構設計要求相符。

3 建筑結構設計優化方法的應用

3.1 結構設計難點分析

在ASIM集成框架體系中輸入勘查結果，得出工程建筑場地類別為中軟土場II類，擬建廠區屬于地震烈度區劃圖的七度區，50年超越概率10%的基巖地震動峰值加速度為74.62 cm/s2，對應的地震反應譜特征參數為0.271(阻尼比4%)。由于工程地下室與裙樓平面長度超170 m，為超長結構，在結構設計時需要進行后澆帶的恰當規劃。同時主塔樓低層平面樓板開洞面積較大，中低層存在2跨柱范圍開洞模塊，開洞范圍框架柱、核心筒之間無聯結，極易出現過于薄弱樓板，需要采用彈性膜樓板建構計算模型，并進行薄弱部位樓板的適度加厚處理。除此之外，裙樓外立面體型較為多變，高寬比數值較大，X向側向與Y向側向剛度也存在較大的差別，需要設計者探索增加結構延性、提高結構承載力的方案，以保證建筑結構在大震下性能穩定。

3.2 結構設計優化

在ASIM集成框架體系中，設定初始目標為設防地震下外圍框架柱抗剪抗彎中震彈性、核心筒剪力墻抗剪抗彎中震彈性、框架梁抗剪抗彎中震不屈服，約束條件為關鍵構件與耗能構件抗剪、抗彎承載力[2]。在水平地震影響系數最大值為0.246的情況下，不考慮規范規定的構件內力增大與系數調整情況，而是保持框架柱彈性，進行性能水準3計算分析。計算結果為中震作用下最大層間位移為1/340 mm(0°)，基底剪力為62 531.12 kN，基底彎矩為652 142.20 kN/m。分析結果得出核心筒剪力墻在中震作用下未出現屈服，個別框架梁以及連梁出現屈服，需要增加配筋量。

根據工程特點，可以選擇框架-核心筒結構(主塔樓)、鋼筋混凝土框架結構(外框架)。核心筒為鋼筋混凝土核心筒(底部往上截面尺寸最大為700 mm)，均為結構主要抗側力構件，在核心筒剪力墻四角局部、剪力墻與框架梁連接位置設置了型鋼暗梁(水平)、鋼質地暗樁(內置)，可以在一定程度上提高建筑結構延性、承載力[3]。在建筑總體結構體系確定之后，借助ASIM集成框架體系分析總體結構穩定性、變形協調傾向。從結構側移剛度、內力沿高度突變、風載荷作用下層間位移、地震作用下頂點位移等方面，進行對比分析，確定最佳操作方案。比如方案一為鋼梁與混凝土筒體全部鉸接方式，X向、Y向風荷載作用下層間位移分別為1/1789、4/588；方案二為鋼梁與筒體全部鉸接，而高層避難層設置兩道伸臂鋼桁梁形式，X向、Y向風荷載作用下層間位移分別為1/1895、1/720。表明方案一結構Y向剛度稍弱，最大層間位移不合格，方案二可以保證位移滿足要求，可以優先選擇方案二。

4 結語

建筑結構設計優化強調在建筑結構設計時綜合考慮建筑結構安全性、可靠性、基本功能健全性以及建筑本身的性能，具體表現在房屋工程分層結構優化上。設計人員應以盡可能減少質量中心、建筑剛度中心相關性差異為目標，貫徹建筑整體平面結構規則性、對稱性理念，開發設計模型集成框架，合理、科學選擇設計變量以及相應目標函數。結合約束條件的科學設置，可以滿足建筑整體與局部優化、壽命與階段性優化、樁基礎具體優化需求，為預期建筑結構設計優化目標的實現提供保障。