高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計探索

1、高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計探索摘要：隨著社會的發(fā)展，國民經(jīng)濟(jì)水平的提高，不斷增加了建筑 工程項目修建的規(guī)模和數(shù)量，也隨之出現(xiàn)了高層建筑。眾所周知，大 多數(shù)情況下， 高層建筑所需要花費(fèi)的工程成本較多， 但是通過采取合 理的手段， 能夠在一定程度上將造價成本降低， 并起到結(jié)構(gòu)優(yōu)化的作 用。因此，文章圍繞高層建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方面進(jìn)行了闡述，并將 一些有效的降低成本的措施提出來。關(guān)鍵詞：高層建筑結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計；成本降低1 研究背景伴隨著城市化進(jìn)程的加快， 全球經(jīng)濟(jì)一體化形式的構(gòu)成， 越來越 多的農(nóng)村人口向城市涌進(jìn)， 這無疑將增大城市的人口壓力和住房壓力， 而為了有效地將這些壓力緩解， 避免社會矛盾激化，

2、因而在技術(shù)水平 的支持下不斷出現(xiàn)了高層建筑， 顯然這在一定程度上將住房壓力緩解 了。然而，正如我們所知，技術(shù)是在不斷進(jìn)步的，以往的設(shè)計方式弊 端也會在使用中不斷顯露出來， 為了更好地保證人們住房的安全， 非 常有必要對現(xiàn)有的高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。 筆者根據(jù)自身的工作 經(jīng)驗，在文章中將以 A 市的某個高層建筑作為實際案例進(jìn)行分析闡述。 該高層建筑共有10層，30m高，建筑物內(nèi)部各項系統(tǒng)部件構(gòu)成完整。2 關(guān)于未來高層建筑發(fā)展的趨勢分析2.1 新型材料的開發(fā)與運(yùn)用科技水平的進(jìn)步， 不斷研究和開發(fā)出了新型的高性能混凝土材料， 在很大程度上改善了傳統(tǒng)混凝土的韌性及強(qiáng)度等級， 尤其是在建筑施 工中出現(xiàn)

3、了高強(qiáng)度的混凝土之后， 施工人員在施工操作中有效地將結(jié) 構(gòu)構(gòu)件的尺寸減小了，這有助于結(jié)構(gòu)的自重也隨之減小。另外，存在 于高層建筑中鋼結(jié)構(gòu)中的FR鋼能夠有效地將高溫時鐵的強(qiáng)度提高， 從而減小鋼材中防火保護(hù)層的厚度， 最終使鋼結(jié)構(gòu)在整個工程建筑中 的成本造價降低了。2.2 逐漸推廣的消能減震和隔震設(shè)計 現(xiàn)階段，延性結(jié)構(gòu)體系作為傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)體系是在全世界范圍內(nèi)被普遍采用的，我國也是如此，一直沿用著這樣的結(jié)構(gòu)體系，其通 過適當(dāng)?shù)膶Y(jié)構(gòu)物的剛度進(jìn)行控制， 容許在地震時結(jié)構(gòu)構(gòu)件能夠自行 進(jìn)入非彈性的狀態(tài)， 并在保持較大延性的情況下， 盡可能的將地震能 量消耗掉， 有利于將地震帶來的不良反應(yīng)減輕， 最終保

4、證建筑結(jié)構(gòu)能 夠長久地佇立而不坍塌。 在高層建筑的結(jié)構(gòu)中， 是否能夠有效地減震， 其前提是需要提前將被動耗能的裝置設(shè)計出來， 以便將一定的附加阻 尼或者附加剛度提供給建筑物結(jié)構(gòu)， 從而將結(jié)構(gòu)構(gòu)件需要承擔(dān)的那一 部分地震能量消耗掉， 以便將結(jié)構(gòu)中的動力反應(yīng)降低， 最終有利于將 高層結(jié)構(gòu)建筑中的損傷和變形程度降低。2.3 大力發(fā)展智能建筑這一技術(shù)在高新技術(shù)和現(xiàn)代建筑技術(shù)產(chǎn)業(yè)的結(jié)合之下， 產(chǎn)生了新型的智能 建筑產(chǎn)業(yè)。從其自身所具有的特點(diǎn)和應(yīng)用的特性分析， 該技術(shù)能夠廣 泛地應(yīng)用在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計之中。簡單講就是，服務(wù)、建筑、經(jīng) 營及裝備等四部分內(nèi)容的結(jié)合體就是智能化建筑， 在有效全面的綜合、 各自

5、優(yōu)化以及相互關(guān)聯(lián)的情況下， 能夠使四者之間達(dá)到最佳的組合狀 態(tài)，從而確保建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計是符合高舒適、 高效率和高功能的要 求的。通過服務(wù)、 結(jié)構(gòu)、管理和系統(tǒng)等四個基本的要素在智能化建筑 中所建立起來的內(nèi)在聯(lián)系的作用， 隨后在優(yōu)化設(shè)計的利用下， 能夠?qū)?一個高效率運(yùn)用、投資合理的安全、干凈、舒適的環(huán)境空間提供給用 戶。若想有效地構(gòu)成智能化建筑，必須同時具備三大系統(tǒng)，分別是辦 公自動化系統(tǒng)、 設(shè)備管理的自動化系統(tǒng)以及通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)， 只有在這 樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計背景之下， 才能夠?qū)⒁粋€舒適、 安全的工作和生活環(huán)境 提供給客戶。3 存在于高層建筑優(yōu)化設(shè)計中的弊端 現(xiàn)如今，有關(guān)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的理論基礎(chǔ)已經(jīng)

6、十分成熟， 但是 將理論基礎(chǔ)應(yīng)用到實際的施工設(shè)計和操作中還存在很多的問題， 這極 大地阻礙了高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的進(jìn)一步發(fā)展。3.1 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的工作內(nèi)容復(fù)雜 相較于國外的高層建筑發(fā)展現(xiàn)狀而言， 我國的高層建筑發(fā)展時間 較短，因而還有很多的實踐理論在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計中較為缺乏， 從基本國情出發(fā)， 符合我國建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的軟件技術(shù)十分有限。 但由 于有較多的變量個數(shù)存在于高層建筑的結(jié)構(gòu)優(yōu)化之中， 并且在結(jié)構(gòu)復(fù) 雜程度增大的情況下變量個數(shù)也會不斷增加， 現(xiàn)有的軟件技術(shù)又難以 有效地將被動變量和主動變量區(qū)分出來， 只能夠簡單地將相對最優(yōu)解 求出來，因而在這樣的發(fā)展背景下， 難以促進(jìn)高層建筑的結(jié)

7、構(gòu)設(shè)計在 我國的進(jìn)一步發(fā)展。在多方調(diào)查后認(rèn)為，只有多次反復(fù)地尋找探索， 才有可能將存在于結(jié)構(gòu)設(shè)計中的弊端一一解決掉。 從總體上分析， 極 少有一次性設(shè)計高層建筑結(jié)構(gòu)成功的案例， 文章所列舉的這一案例也 是在多次反復(fù)的設(shè)計研究再設(shè)計以后才成功的， 因而從這一方面便可 以看出有較大的分析工作量存在于高層建筑的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計之中。3.2 過多的優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸在建筑物結(jié)構(gòu)材料、 幾何形狀以及荷載給定的情況下， 將滿足于 設(shè)計條件的最優(yōu)化構(gòu)件的截面求解了出來， 卻在一定程度上將結(jié)構(gòu)整 體的優(yōu)化工作給忽視了， 但是從實際的研究證明中可以看出， 更具有 實踐和應(yīng)用意義的就是形狀優(yōu)化。 簡單地說便是最優(yōu)結(jié)果的得到

8、是不 可能通過單純的優(yōu)化來實現(xiàn)的， 其需要做到全方位的考慮。 然而大多 數(shù)的建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計的工作人員都認(rèn)為， 只需要合理的方案設(shè)計和結(jié) 構(gòu)布置，便可以在計算機(jī)軟件中將準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)尺寸計算出來，可見， 對于軟土地基的設(shè)計并沒有太大意義， 這對于設(shè)計結(jié)構(gòu)的最終結(jié)果自 然也是難以保證的。4 優(yōu)化設(shè)計的措施4.1 合理設(shè)計方法的選擇首先需要分析建筑物結(jié)構(gòu)的使用性質(zhì)， 在各種變量的掌握下， 將 有效的設(shè)計方法提取出來，如：直接優(yōu)化或間接優(yōu)化。其中，材料耗 量便是高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)， 因而需要從構(gòu)建截面的大小尺 寸上分析。 針對于本次案例中所采取的直接優(yōu)化的設(shè)計方法， 筆者認(rèn) 為是合理的， 其在已知

9、目標(biāo)函數(shù)變量的情況下， 滿足了一定約束的條 件。在進(jìn)一步對高層建筑中結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化所具備的條件進(jìn)行分析以后 發(fā)現(xiàn)，從現(xiàn)代化建筑設(shè)計的角度出發(fā)， 滿應(yīng)立法的使用更加有利于優(yōu) 化高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計。4.2 發(fā)展于桁架等桿設(shè)計中的滿應(yīng)力法 其作為準(zhǔn)則法的一種，是最容易理解、最容易操作的。其是在建 筑結(jié)構(gòu)有規(guī)定幾何形狀和結(jié)構(gòu)的情況下， 根據(jù)滿應(yīng)力法則的標(biāo)準(zhǔn)， 對 截面構(gòu)建的尺寸進(jìn)行修改， 確保一次的應(yīng)力限值計算都是在最優(yōu)化的 算法中進(jìn)行的。4.3 優(yōu)化設(shè)計的合理性需要在實踐經(jīng)驗和常規(guī)做法的遵循下， 將初始結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺 寸確定出來，并在構(gòu)建分類的參照下，將有關(guān)于梁、柱及墻的數(shù)據(jù)庫 分別建立起來；通過計算結(jié)果的提供，調(diào)整構(gòu)建截面的尺寸，并在位 移條件的滿足之下，將構(gòu)件材料的性能有效地發(fā)揮出來。5 總結(jié) 綜上所述，為了更好地滿足人們的要求，與社會的發(fā)展相適應(yīng)， 就必須進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化設(shè)計， 在合理設(shè)計方式的選擇下， 充分地將結(jié)構(gòu)構(gòu)件的作用發(fā)揮出來。作者: 張海良 單位:福建經(jīng)福建筑設(shè)計工程有限公司廈門分公司 參考文獻(xiàn) :1 呂楊. 高層建筑結(jié)構(gòu)地震失效模式優(yōu)化及損傷控制研究 D. 天津大學(xué) ,2012.2 陳耀. 高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計分析探討 J. 福建建材,2011（04）:36-37+39.3 曹鶴. 基于綠色建筑的高層剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計