高層住宅結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析的概念和發(fā)展現(xiàn)狀綜述

高層住宅結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析的概念和發(fā)展現(xiàn)狀綜述【摘要】近二十年以來，我國混凝土結(jié)構(gòu)高層住宅迅猛發(fā)展，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)直接影響著結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。本文從三方面對(duì)高層住宅優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行概述，對(duì)設(shè)計(jì)工作有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞 高層住宅；優(yōu)化設(shè)計(jì)；概述

1.高層住宅的特點(diǎn)?

（1）近幾十年來隨著科學(xué)技術(shù)飛速進(jìn)步，生產(chǎn)出多種輕質(zhì)高強(qiáng)的建筑材料，構(gòu)思出多種新型高效的結(jié)構(gòu)體系，創(chuàng)造出許多先進(jìn)的施工技術(shù)和機(jī)械設(shè)備，提供了高速電梯、空調(diào)、防火、自控等現(xiàn)代化設(shè)施，為興建高層建筑提供了充分必要的技術(shù)條件?？萍歼M(jìn)步的同時(shí)導(dǎo)致了設(shè)計(jì)技術(shù)的革新。建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)由一維平面結(jié)構(gòu)發(fā)展為二維或三維立體結(jié)構(gòu)理論，為新的高效抗側(cè)力體系的出現(xiàn)創(chuàng)造了條件。電子計(jì)算機(jī)的運(yùn)用，提高了結(jié)構(gòu)分析的速度和精度，為高層建筑在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行多方案比較和優(yōu)選提供了方便。上述設(shè)計(jì)技術(shù)方面的革新增加了高層建筑的使用功能和適用性，并進(jìn)一步降低了高層建筑的造價(jià)。?

（2）我國改革開放以來，經(jīng)濟(jì)快速增長，城市進(jìn)程加快，高層建筑迅速發(fā)展，全國已建成的高層建筑超過一億平方米，尤其是近十年來，每年建成的高層建筑約一千萬平方米。高層建筑正在日益成為社會(huì)主義現(xiàn)代化建筑領(lǐng)域的主流趨勢(shì)，其中住宅約占其總量的一半，而在一些大城市所占的比重更高。?

（3）高層住宅是城市人多地少的產(chǎn)物，是高地價(jià)的產(chǎn)物，其興衰受市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的調(diào)整。我國從二十世紀(jì)七十年代開始發(fā)展高層住宅，到二十世紀(jì)九十年代，高層建筑得到大量興建。近幾年來我國高層住宅每年以百分之十的速度增長。顯然，目前仍有較大的市場(chǎng)需求，高層住宅在大城市比多層住宅更受較為富裕的市民青睞。高層住宅得以發(fā)展的最重要原因是節(jié)約土地，同時(shí)可一定程度的控制城市的蔓延，而且光線充足，視野開闊，上下交通方便，節(jié)約室外設(shè)施和交通費(fèi)用，節(jié)省交通時(shí)間，可有較大的空地以布置綠化、活動(dòng)、停車等場(chǎng)地。?

（4）伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的騰飛，城市化的快速發(fā)展以及城市土地、住宅等制度改革的逐步深化，我國城市住宅建設(shè)已進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展的嶄新階段。城市化的飛速發(fā)展是推動(dòng)大城市住宅層數(shù)增加的動(dòng)力。然而，面對(duì)人口、土地資源、生態(tài)環(huán)境等背景的挑戰(zhàn)，對(duì)于與這一背景密切相關(guān)的住宅層數(shù)發(fā)展，不難得出不斷增加住宅層數(shù)是當(dāng)前乃至今后相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)，我國城市住宅持續(xù)發(fā)展的必然選擇?？梢灶A(yù)言，中國城市住宅層數(shù)發(fā)展出現(xiàn)持續(xù)增加的趨勢(shì)將不可避免，將成為二十一世紀(jì)中國城市住宅發(fā)展的主流，將成為未來我國城市發(fā)展前景廣闊的居住形式。

2.結(jié)構(gòu)分析優(yōu)化的發(fā)展及現(xiàn)狀?

2.1設(shè)計(jì)要優(yōu)化，這是長期以來工程師們的愿望?！霸O(shè)計(jì)”一詞，本身就包含了優(yōu)化的概念。隨著各個(gè)歷史時(shí)期科學(xué)技術(shù)、計(jì)算技術(shù)和手段的發(fā)展，“設(shè)計(jì)”的含義也一直演變，不斷地得到充實(shí)。?

2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展過程分為藝術(shù)創(chuàng)造、分析結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)三個(gè)階段。古代的建筑結(jié)構(gòu)是藝術(shù)的創(chuàng)造，當(dāng)然藝術(shù)中蘊(yùn)藏著一定科學(xué)原理。長期以來流傳的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也只能認(rèn)為是分析結(jié)構(gòu)。只有當(dāng)今的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)才能稱得上設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。?

2.3早在1300多年前，我國隋朝工匠李春設(shè)計(jì)并建造的安濟(jì)橋（又名趙州橋）就體現(xiàn)了許多“結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)”的思想。在近代歐洲，1869年由Maxwell及1900年由Cilley等人提出同時(shí)破壞設(shè)計(jì)，1904年米歇爾又提出最小體積桁架的設(shè)計(jì)問題，才使優(yōu)化思想應(yīng)用于土建結(jié)構(gòu)有了一定的理論依據(jù)。但這些方法的意義只有在計(jì)算機(jī)出現(xiàn)后（1950年）才被認(rèn)識(shí)。優(yōu)化設(shè)計(jì)是用系統(tǒng)的、目的定向和良好標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)過程來取代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)糾錯(cuò)方式。優(yōu)化設(shè)計(jì)通過對(duì)問題的識(shí)別、定義、模型化、尋優(yōu)求解和對(duì)解的評(píng)價(jià)形成一種概念框架和模式。?

2.4結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是將優(yōu)化技術(shù)與有限元分析技術(shù)結(jié)合起來，設(shè)計(jì)滿足給定的各種要求最佳結(jié)構(gòu)尺寸、形狀等的設(shè)計(jì)手段。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)突破了傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)范疇，克服了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)類比或采用許多假設(shè)和簡(jiǎn)化導(dǎo)出的計(jì)算公式進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)再校核的諸多局限。?

2.5從廣義角度看，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)包括結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化和布局優(yōu)化；從優(yōu)化性能角度，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)包括結(jié)構(gòu)可靠性指標(biāo)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料性能的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、動(dòng)力學(xué)性能的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和控制結(jié)構(gòu)優(yōu)化等眾多分支。從優(yōu)化算法方面可以將結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法分為四大類，即優(yōu)化準(zhǔn)則法、數(shù)學(xué)規(guī)劃法、優(yōu)化準(zhǔn)則與數(shù)學(xué)規(guī)劃結(jié)合的混合法及近若干年出現(xiàn)的模擬自然界生物生長和進(jìn)化的優(yōu)化算法（如自適應(yīng)生成法、遺傳算法等）。?

2.6現(xiàn)代結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的全過程一般可概括為：建立優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，選擇適合的優(yōu)化方法；確定目標(biāo)函數(shù)、約束函數(shù)、設(shè)計(jì)變量；確定必要的數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)初始點(diǎn)，編寫計(jì)算機(jī)語言程序；通過計(jì)算機(jī)求解并輸出計(jì)算結(jié)果；最后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的分析。簡(jiǎn)單概括為兩方面：一是如何將設(shè)計(jì)問題確切的轉(zhuǎn)化為反映問題實(shí)質(zhì)并適合于優(yōu)化計(jì)算的數(shù)學(xué)模型；二是如何選擇適用的優(yōu)化方法，求得該數(shù)學(xué)模型的最優(yōu)解。?

2.7目前結(jié)構(gòu)優(yōu)化的應(yīng)用落后于理論發(fā)展，特別是土木建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用不普遍，其主要原因有：?

（1）現(xiàn)行規(guī)范和規(guī)程還沒有明確要求采用優(yōu)化設(shè)計(jì)。?

（2）優(yōu)化的目標(biāo)還不能完全符合工程需要。由于實(shí)際結(jié)構(gòu)問題往往十分復(fù)雜，多因素甚至不確定因素使得目標(biāo)函數(shù)在建立后只能得到相對(duì)合理的解答。?

（3）土木工程界的管理體制和設(shè)計(jì)取費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)（按造價(jià)或面積取費(fèi)）使人們?nèi)狈ψ非髢?yōu)化設(shè)計(jì)的動(dòng)力。?

（4）〖JP3離散變量?jī)?yōu)化問題。建筑尺寸以及鋼筋，型鋼的規(guī)格、型號(hào)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(duì)偶算法等解析算法均無法勝任。由于問題規(guī)模較大，隨之帶來計(jì)算量急劇增加的“組合爆炸”問題也會(huì)使計(jì)算量急劇增加。

（5）工程結(jié)構(gòu)問題要綜合考慮使用、設(shè)計(jì)、構(gòu)造、施工、美觀等各方面的要求，因此，工程結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)所追求的是適合工程上應(yīng)用的較為合理的設(shè)計(jì)方案，而不是數(shù)學(xué)上單純的理論極值點(diǎn)，這就要求必須結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.研究的目的和意義?

（1）近幾年來，“低碳經(jīng)濟(jì)”，“綠色建筑”日益成為公眾耳熟能詳?shù)臒衢T詞匯，提出的大背景是全球氣候變暖對(duì)人類生存和發(fā)展的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。隨著全球人口規(guī)模的不斷增長，能源使用帶來的環(huán)境問題及其誘因不斷為人們所認(rèn)識(shí)?！熬G色建筑”是指在建筑的全壽命時(shí)期，最大限度的節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境和減少污染，為人們提供健康，適用和高效的使用空間，與自然和諧共生的建筑。它代表一種概念或象征，指建筑對(duì)環(huán)境無害，能充分利用環(huán)境自然資源，并且在不破壞環(huán)境基本生態(tài)平衡條件下建造的一種建筑，又可稱為可持續(xù)發(fā)展建筑、生態(tài)建筑、回歸大自然建筑、節(jié)能環(huán)保建筑等。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化同樣在這方面能有所作為，經(jīng)過優(yōu)化的建筑結(jié)構(gòu)，降低了鋼筋和混凝土等高耗能產(chǎn)品和不可再生資源的用量。保護(hù)環(huán)境也就是保護(hù)我們自己的生存家園，也是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師義不容辭的責(zé)任。?

（2）在沒有一個(gè)明確的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的情況下，工程師出于結(jié)構(gòu)安全、方便設(shè)計(jì)、縮短設(shè)計(jì)周期等原因考慮，常常把結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的偏于保守，沒有充分發(fā)揮材料的性能，造成了一定的浪費(fèi)，這樣處理既不經(jīng)濟(jì)也不一定真正保證安全。所以，深入開展結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究具有重要的工程意義。?

（3）隨著全球資源日益短缺，環(huán)境污染日趨嚴(yán)重、以及對(duì)生活質(zhì)量要求的提高，人們?cè)谏鐣?huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)、工程建設(shè)、企業(yè)生產(chǎn)等方面，既要求安全可靠、效益顯著，有要求降低能源材料等消耗和保護(hù)環(huán)境。優(yōu)化設(shè)計(jì)與技術(shù)成為人們改進(jìn)工作、提高效率的必不可少的手段，必將會(huì)得到更多關(guān)注和廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

［1］高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（JG