论高层建筑结构的优化设计
摘要:本文就高层建筑结构和工程优化设计理论的发展趋势,分析了高层建筑结构优化设计中存在的问题,并探讨了利用满应力设计法进行高层建筑的结构优化设计的可行性。
关键词:建筑;高层建筑;结构设计;优化设计。
在工程建设过程中,建筑功能的实现与工程投资的控制是工程建设的两大目标。实现投资效益的最大化,是每个投资者追求的投资目标。通过对建筑结构的优化设计,不仅能够提高建筑物的安全度,并且能够有效降低工程造价,使建筑产品具有更高的性价比。而进行工程投资控制的关键在项目决策和设计阶段,在项目做出投资决策后,其关键就在于设计阶段。在建筑工程的设计阶段,当满足建筑的诸多功能后,工程造价的控制是每个投资者最为关注的主要内容,也自然成为投资者评价设计质量优劣、衡量设计水平、选择设计单位的重要标准。为了在日益激烈的设计市场竞争中求得生存与发展,为业主提供优质的设计产品,提高设计产品的经济性,已成为每一个设计单位努力追求的目标。
一、高层建筑结构的发展
（1）新型结构形式的应用不断增加。框架体系、剪力墙体系和框架-剪力墙(支撑)体系是高层建筑的传统结构体系。根据筒体的不同组成方式,分为框筒体系、筒中筒体系和多束筒体系3种类型。筒体最主要的受力特点是它的空间受力性能。无论哪一种筒体,在水平力作用下都可以看成固定于基础上的箱形悬臂构件,它比单片平面结构具有更大的抗侧刚度和承载力,并具有很好的抗扭刚度。因此,该种体系广泛应用于多功能、多用途、层数较多的高层建筑中。而20世纪80年代发展起来的巨形结构(巨形桁架、巨形框架)、应力蒙皮结构、隔震结构等也都已经开始了广泛的应用。
（2）组合结构的高层建筑发展迅速。采用组合结构可建造比混凝土结构更高的建筑,不但具有优异的静、动力工作性能,而且能大量节约钢材、降低工程造价和加快施工进度。在不同的情况下,可以取代钢筋混凝土结构和钢结构,科技含量也较高,对环境污染也较少,已广泛应用于冶金、造船、电力、交通等部门的建筑中,并以迅猛的势头进入了桥梁工程和高层与超高层建筑中。在强震国家日本,组合结构高层建筑发展迅速,钢筋混凝土组合柱应用广泛。由于钢管内混凝土处于三轴受压状态,能提高承载力,从而可节约钢材。而香港的中国银行采用巨形组合柱的建筑设计方法,获得了十分可观的经济效益。随着混凝土强度的提高以及构造和施工技术上的改进,组合结构在高层建筑中的应用可望进一步扩大。
（3）智能建筑的发展异军突起。现代建筑技术和高新技术产业的结合促成了智能建筑的产生,在高层建筑中有更广阔的应用前景。智能建筑是建筑、装备、服务和经营四要素各自优化、相互联系、全面综合并达到最佳组合,以获得高效率、高功能与高舒适的建筑物。智能建筑是通过对建筑物的4个基本要素,即结构、系统、服务和管理,以及它们之间的内在联系,以最优化的设计,提供一个投资合理又拥有高效率的幽雅舒适、便利快捷、高度安全的环境空间。智能建筑的构成至少必须具备三大系统:设备管理自动化系统、通讯网络系统、办公自动化系统,并以此应用现代4C技术构成智能建筑结构与系统,结合现代化的服务与管理方式给人们提供一个安全、舒适的生活、学习与工作环境空间
二、设计中存在的问题
（1）只重视结构尺寸的优化,即在给定结构的几何形状、拓扑和材料的情况下,求出满足约束条件的最优构件截面,而忽视结构整体的优化。已有的研究结果表明,形状优化比尺寸优化更有意义。单纯的尺寸优化无法接近最优的结果,因此,也就不能完全令人信服。设计人员较普遍地认为,结构设计只要结构方案和布置合理,部结构又有比较成熟的计算机软件进行分析计算,构件截面只要通过计算结果满足规范即可,认为上部结构相对下部结构,即地基基础部分,特别是软土地基的意义不大,因此对上部结构截面的优化所能达到的经济效益未予以充分的重视。
（2）离散变量优化问题。建筑物尺寸以及钢筋、型钢规格型号等都不是连续变化的,因此,传统的优化方法,如各种梯度算法、对偶算法等解析算法均无法胜任。而且,由于问题的规模较大,随之带来的计算量急剧增加的“组合爆炸”问题也会使计算量急剧增加。
（3）优化的目标还不能完全符合工程的需要。由于实际结构问题往往十分复杂,存在设计变量多、约束条件多、受建筑功能
限制较大等难点,多种因素甚至不确定性因素使得目标函数在建立后只能得到相对最优解。而且,目前尚没有实用的高层建筑
优化分析软件,而应用现有的各种计算机分析软件进行截面优化并不是简单的几次尝试就能达到效果的,因此,无论是机时,还
是设计进度,都较难允许实施这种优化方法。很多高层建筑设计项目,结构方案和布置还是比较合理的,其构件截面也是同类型
三、高层建筑结构优化设计
（1）对高层建筑结构方案进行优化采用何种方法,首先应分析这一问题的目标函数、目标函数中的各种变量,这些变量之间的各种数学解析关系以及与各种变量有关的约束条件,在分析的基础上是采用间接优化还是直接优化方法来确定。高层建筑结构方案优化的目标就是材料耗量,材料耗量决定于构件的截面尺寸大小,截面尺寸必须满足通过力学分析得到各构件内力后的强度计算及位移变形等条件。因此,目标函数很难用明确的数学解析式来表达,不能用数学上求极小值的方法,也就是一般所说的间接优化方法来优化。高层建筑结构方案的优化只能采用直接优化法来解决,即给目标函数中变量以已知值,经过试算使其满足一定的约束条件,求得其目标值,并找出使目标值逐步变小而趋向最佳值的路线或方向,以达到目标函数的最优值。因此,可以采用满应力法进行高层建筑结构优化设计。
（2）满应力设计法是在桁架等杆系结构的设计中发展起来的,是结构优化中最简单、最易为工程人员理解的一种准则法。所谓满应力是指结构构件在荷载作用下的最大应力达到所用材料的容许应力,此时材料的强度得到充分利用,构件截面面积将是最小,故可作为桁架最轻设计或体积最小设计的一个准则。满应力设计法是结构在规定材料和几何形状的条件下,按照满应力准则的要求,修改构件的截面尺寸,使每一构件至少在一种工况下达到或接近其容许应力限值的优化算法。如果结构除了应力约束外还有界限约束,则要求每一构件应力约束和界限约束中至少有一个达到临界值。
（3）利用满应力设计法进行高层建筑的结构优化设计要遵循以下步骤:首先,要根据常规做法和经验确定结构构件的初始截面尺寸,并按构件分类分别建立柱、墙、梁可供选择截面尺寸的数据库;其次,要对结构构件进行力学分析,算出各工况下结构的位移及内力,并对结构构件进行承载力计算;再次,要根据计算结果,对构件截面尺寸进行调整,在满足位移条件的前提下,尽量充分发挥构件材料的性能,即按规范计算使其接近满应力状态,但截面选择应在指定的数据库中进行,并统计截面需修改的个数;然后,根据修改截面的数量、性质,由人工干预决定或指定一个限值自动决定是否重新计算,即返回到第二步计算,如此循环反复,直到满足要求为止;最后,输出最后优化的构件截面尺寸及计算结果。
四、结语
通过结构优化设计来降低工程造价是控制工程投资的一个有效途径,而正确处理技术与经济的对立统一是控制投资的关键。不能片面强调节约投资,而降低技术和质量标准,又要反对重技术、轻经济,设计保守浪费的现象。建筑结构设计的首要任务是满足建筑功能的需求,实现建筑物适用、安全、美观、经济的目标。结构造价在建筑工程中所占的比重很大,通过精心设计所带来的经济效益是十分可观的。实现安全与经济的最佳结合,也是衡量一个结构设计人员专业水平和能力的主要标准。结构工程师要将优化设计贯穿于结构设计的整个过程,精益求精的完成每一项设计工作,创作出既保证结构达到《规范》要求的同时,还能最大限度地实现建筑师的创作思想和令业主满意的产品,从而真正达到优化设计的效果。