論高層建筑結構的優(yōu)化設計

　　摘要:本文就高層建筑結構和工程優(yōu)化設計理論的發(fā)展趨勢,分析了高層建筑結構優(yōu)化設計中存在的問題,并探討了利用滿應力設計法進行高層建筑的結構優(yōu)化設計的可行性。

　　關鍵詞:建筑;高層建筑;結構設計;優(yōu)化設計。

　　在工程建設過程中,建筑功能的實現(xiàn)與工程投資的控制是工程建設的兩大目標。實現(xiàn)投資效益的最大化,是每個投資者追求的投資目標。通過對建筑結構的優(yōu)化設計,不僅能夠提高建筑物的安全度,并且能夠有效降低工程造價,使建筑產品具有更高的性價比。而進行工程投資控制的關鍵在項目決策和設計階段,在項目做出投資決策后,其關鍵就在于設計階段。在建筑工程的設計階段,當滿足建筑的諸多功能后,工程造價的控制是每個投資者最為關注的主要內容,也自然成為投資者評價設計質量優(yōu)劣、衡量設計水平、選擇設計單位的重要標準。為了在日益激烈的設計市場競爭中求得生存與發(fā)展,為業(yè)主提供優(yōu)質的設計產品,提高設計產品的經濟性,已成為每一個設計單位努力追求的目標。

　　一、高層建筑結構的發(fā)展

　�。�1）新型結構形式的應用不斷增加�？蚣荏w系、剪力墻體系和框架-剪力墻(支撐)體系是高層建筑的傳統(tǒng)結構體系。根據(jù)筒體的不同組成方式,分為框筒體系、筒中筒體系和多束筒體系3種類型。筒體最主要的受力特點是它的空間受力性能。無論哪一種筒體,在水平力作用下都可以看成固定于基礎上的箱形懸臂構件,它比單片平面結構具有更大的抗側剛度和承載力,并具有很好的抗扭剛度。因此,該種體系廣泛應用于多功能、多用途、層數(shù)較多的高層建筑中。而20世紀80年代發(fā)展起來的巨形結構(巨形桁架、巨形框架)、應力蒙皮結構、隔震結構等也都已經開始了廣泛的應用。

　�。�2）組合結構的高層建筑發(fā)展迅速。采用組合結構可建造比混凝土結構更高的建筑,不但具有優(yōu)異的靜、動力工作性能,而且能大量節(jié)約鋼材、降低工程造價和加快施工進度。在不同的情況下,可以取代鋼筋混凝土結構和鋼結構,科技含量也較高,對環(huán)境污染也較少,已廣泛應用于冶金、造船、電力、交通等部門的建筑中,并以迅猛的勢頭進入了橋梁工程和高層與超高層建筑中。在強震國家日本,組合結構高層建筑發(fā)展迅速,鋼筋混凝土組合柱應用廣泛。由于鋼管內混凝土處于三軸受壓狀態(tài),能提高承載力,從而可節(jié)約鋼材。而香港的中國銀行采用巨形組合柱的建筑設計方法,獲得了十分可觀的經濟效益。隨著混凝土強度的提高以及構造和施工技術上的改進,組合結構在高層建筑中的應用可望進一步擴大。

　�。�3）智能建筑的發(fā)展異軍突起。現(xiàn)代建筑技術和高新技術產業(yè)的結合促成了智能建筑的產生,在高層建筑中有更廣闊的應用前景。智能建筑是建筑、裝備、服務和經營四要素各自優(yōu)化、相互聯(lián)系、全面綜合并達到最佳組合,以獲得高效率、高功能與高舒適的建筑物。智能建筑是通過對建筑物的4個基本要素,即結構、系統(tǒng)、服務和管理,以及它們之間的內在聯(lián)系,以最優(yōu)化的設計,提供一個投資合理又擁有高效率的幽雅舒適、便利快捷、高度安全的環(huán)境空間。智能建筑的構成至少必須具備三大系統(tǒng):設備管理自動化系統(tǒng)、通訊網絡系統(tǒng)、辦公自動化系統(tǒng),并以此應用現(xiàn)代4C技術構成智能建筑結構與系統(tǒng),結合現(xiàn)代化的服務與管理方式給人們提供一個安全、舒適的生活、學習與工作環(huán)境空間

　　二、設計中存在的問題

　�。�1）只重視結構尺寸的優(yōu)化,即在給定結構的幾何形狀、拓撲和材料的情況下,求出滿足約束條件的最優(yōu)構件截面,而忽視結構整體的優(yōu)化。已有的研究結果表明,形狀優(yōu)化比尺寸優(yōu)化更有意義。單純的尺寸優(yōu)化無法接近最優(yōu)的結果,因此,也就不能完全令人信服。設計人員較普遍地認為,結構設計只要結構方案和布置合理,部結構又有比較成熟的計算機軟件進行分析計算,構件截面只要通過計算結果滿足規(guī)范即可,認為上部結構相對下部結構,即地基基礎部分,特別是軟土地基的意義不大,因此對上部結構截面的優(yōu)化所能達到的經濟效益未予以充分的重視。

　�。�2）離散變量優(yōu)化問題。建筑物尺寸以及鋼筋、型鋼規(guī)格型號等都不是連續(xù)變化的,因此,傳統(tǒng)的優(yōu)化方法,如各種梯度算法、對偶算法等解析算法均無法勝任。而且,由于問題的規(guī)模較大,隨之帶來的計算量急劇增加的“組合爆炸”問題也會使計算量急劇增加。

　�。�3）優(yōu)化的目標還不能完全符合工程的需要。由于實際結構問題往往十分復雜,存在設計變量多、約束條件多、受建筑功能

　　限制較大等難點,多種因素甚至不確定性因素使得目標函數(shù)在建立后只能得到相對最優(yōu)解。而且,目前尚沒有實用的高層建筑

　　優(yōu)化分析軟件,而應用現(xiàn)有的各種計算機分析軟件進行截面優(yōu)化并不是簡單的幾次嘗試就能達到效果的,因此,無論是機時,還

　　是設計進度,都較難允許實施這種優(yōu)化方法。很多高層建筑設計項目,結構方案和布置還是比較合理的,其構件截面也是同類型　　

　　三、高層建筑結構優(yōu)化設計

　　（1）對高層建筑結構方案進行優(yōu)化采用何種方法,首先應分析這一問題的目標函數(shù)、目標函數(shù)中的各種變量,這些變量之間的各種數(shù)學解析關系以及與各種變量有關的約束條件,在分析的基礎上是采用間接優(yōu)化還是直接優(yōu)化方法來確定。高層建筑結構方案優(yōu)化的目標就是材料耗量,材料耗量決定于構件的截面尺寸大小,截面尺寸必須滿足通過力學分析得到各構件內力后的強度計算及位移變形等條件。因此,目標函數(shù)很難用明確的數(shù)學解析式來表達,不能用數(shù)學上求極小值的方法,也就是一般所說的間接優(yōu)化方法來優(yōu)化。高層建筑結構方案的優(yōu)化只能采用直接優(yōu)化法來解決,即給目標函數(shù)中變量以已知值,經過試算使其滿足一定的約束條件,求得其目標值,并找出使目標值逐步變小而趨向最佳值的路線或方向,以達到目標函數(shù)的最優(yōu)值。因此,可以采用滿應力法進行高層建筑結構優(yōu)化設計。

　�。�2）滿應力設計法是在桁架等桿系結構的設計中發(fā)展起來的,是結構優(yōu)化中最簡單、最易為工程人員理解的一種準則法。所謂滿應力是指結構構件在荷載作用下的最大應力達到所用材料的容許應力,此時材料的強度得到充分利用,構件截面面積將是最小,故可作為桁架最輕設計或體積最小設計的一個準則。滿應力設計法是結構在規(guī)定材料和幾何形狀的條件下,按照滿應力準則的要求,修改構件的截面尺寸,使每一構件至少在一種工況下達到或接近其容許應力限值的優(yōu)化算法。如果結構除了應力約束外還有界限約束,則要求每一構件應力約束和界限約束中至少有一個達到臨界值。

　�。�3）利用滿應力設計法進行高層建筑的結構優(yōu)化設計要遵循以下步驟:首先,要根據(jù)常規(guī)做法和經驗確定結構構件的初始截面尺寸,并按構件分類分別建立柱、墻、梁可供選擇截面尺寸的數(shù)據(jù)庫;其次,要對結構構件進行力學分析,算出各工況下結構的位移及內力,并對結構構件進行承載力計算;再次,要根據(jù)計算結果,對構件截面尺寸進行調整,在滿足位移條件的前提下,盡量充分發(fā)揮構件材料的性能,即按規(guī)范計算使其接近滿應力狀態(tài),但截面選擇應在指定的數(shù)據(jù)庫中進行,并統(tǒng)計截面需修改的個數(shù);然后,根據(jù)修改截面的數(shù)量、性質,由人工干預決定或指定一個限值自動決定是否重新計算,即返回到第二步計算,如此循環(huán)反復,直到滿足要求為止;最后,輸出最后優(yōu)化的構件截面尺寸及計算結果。

　　四、結語

　　通過結構優(yōu)化設計來降低工程造價是控制工程投資的一個有效途徑,而正確處理技術與經濟的對立統(tǒng)一是控制投資的關鍵。不能片面強調節(jié)約投資,而降低技術和質量標準,又要反對重技術、輕經濟,設計保守浪費的現(xiàn)象。建筑結構設計的首要任務是滿足建筑功能的需求,實現(xiàn)建筑物適用、安全、美觀、經濟的目標。結構造價在建筑工程中所占的比重很大,通過精心設計所帶來的經濟效益是十分可觀的。實現(xiàn)安全與經濟的最佳結合,也是衡量一個結構設計人員專業(yè)水平和能力的主要標準。結構工程師要將優(yōu)化設計貫穿于結構設計的整個過程,精益求精的完成每一項設計工作,創(chuàng)作出既保證結構達到《規(guī)范》要求的同時,還能最大限度地實現(xiàn)建筑師的創(chuàng)作思想和令業(yè)主滿意的產品,從而真正達到優(yōu)化設計的效果�！�