高层建筑结构优化设计分析

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　　摘要：分析了高层建筑的发展趋势，指出了高层建筑结构优化过程中出现的问题，针对这些问题，提出了在结构优化中一些可行的建议。
　　关键词:高层建筑，结构优化，优化理论
　　Abstract: the article analyzes the trend of the development of high-rise buildings, and points out that the high building structure optimization process problems, aiming at these problems, puts forward the structure optimization of some feasible Suggestions.
　　Keywords: high building, structure optimization, optimization theory
　　
　　
　　中图分类号：TU97 文献标识码：A 文章编号：
　　
　　
　　结构的设计是为了建筑的展现，以达到建筑优美的外观和可观的内部空间。结构优化设计是近二十余年以来发展起来的一门新技术。目前，结构优化设计的发展正对结构设计产生重大影响。它的出现 ,使结构设计人员从被动的分析、校核而进入主动的设计，这是结构设计的一次飞跃。
　　
　　1 高层建筑的发展趋势
　　1)随着高性能混凝土的研制和发展，混凝土的强度等级和韧性得到了很大程度的改善，尤其是高强度混凝土的出现，使用高强度混凝土可以减小结构构件尺寸，从而减小结构的自重; 高层建筑钢结构中FR 钢提高了高温时铁的强度，使钢材的防火保护层厚度减小，从而降低钢结构的造价。
　　2)高层建筑结构的减震是通过在结构中设置被动耗能装置，为结构提供一定的附加刚度或附加阻尼，从而消耗本来由结构构件所需承担的地震能量，以减轻结构的动力反应，从而大大减轻了高层建筑结构的变形和损伤。
　　3) 高层建筑组合结构是采用组合结构构件组合而成的，采用组合构件可以建造比混凝土结构更高的建筑。因为钢管内混凝土处于三轴压力作用下，能提高构件的竖向承载力，从而可以节省钢材。20 世纪60 年代初，筒体结构出现，筒体结构最主要的受力特点是它的空间受力性能，筒体结构比单片结构具有更大的抗侧刚度和承载力，并具抗扭刚度较好的特点，框筒结构将广泛应用于多功能、多用途、多层数的高层建筑中。
　　4) 智能建筑技术将得到发展。设备管理自动化系统、通讯网络系统、办公自动化系统是智能建筑构成所必需的三大系统。在高层建筑中有很好的应用前景。
　　2高层建筑结构优化设计方案
　　1) 房屋结构周期性折减系数。房屋框架结构和顶盖等结构设计中，因为填充墙体存在使结构实际表现刚度大于设计计算刚度，计算周期也会大于实际周期，所以当算出结构剪力偏小时，会使房屋的某些结构不安全，而应该对房屋结构计算周期适当的进行折减，这样能达到很好的效果，但是对于房屋框架结构，计算的周期不宜折减或折减系数取小。
　　2) 耐久性的优化设计。大部分混凝土结构设计方案中，没有充分考虑到建筑结构在使用的过程中，由于遭受条件和使用环境变化最终造成房屋结构损伤，使房屋在合理的使用期限内，无法满足正常的使用需求。引起房屋可靠度指数下降。设计者当选以高层混凝土结构优化为设计的主要目的时，要放弃对经济的单纯追求。依据设计所要面对的关键性问题，分清主次，选多目标或单目标来实施优化，达到满意效果。
　　3) 房屋结构抗震性设计。在工程图纸设计过程中，房屋结构按抗震设防分类，房屋抗震等级可根据房屋高度、烈度以及结构类型按国家《抗震规范》确定。地震震力振型组合数据对建筑应当不考虑耦联扭转计算; 当振型数大于3 的时候，应取3的整数倍计算，但数据不能大于建筑物层数; 当房屋层数不大于2 时，振型数则可取房屋层数。对于不规则房屋的结构，应考虑扭耦联转，对高层房屋建筑来说，振型数应取不小于9；房屋结构层数多或房屋结构刚度突变系数大的话，振型数则应多取，例如结构中含多塔结构或顶部有小塔楼和转换层等，振型数应取不小于12 的数，但其大小仍不能大于房屋总层数3 倍，除非其含有弹性定义的楼板，而且采取总刚性分析的时候，振型数才能够取的更大。
　　4) 地下室的层数处理。多层房屋框架结构房屋一般都设置地下室结构。由于隔墙较少，故常采用的是板筏基础。设计计算时将上部结构与地下层数结合在一起，并在图纸中按实际的地下室的层数计算，如此计算基础底板以及地基纵向荷载可一次设计完成。同时通过侧层移刚度性系数比较，可以调整和判断房屋相应嵌固位置，适当加固构造措施，保证楼板最小配筋率和厚度。当房屋结构纵向不规则时，要验算其最薄弱层。
　　5) 合理使用高强钢筋与高强混凝土。高层建筑的总造价一般都包括框架结构材料、施工和基础的物料费用等，其中用钢量以及构筑件截面积对房屋造价影响较大，故在建筑设计中合理使用高强混凝土与高强度钢筋可有效降低用钢量，节约建筑成本。若高层建筑设计位于厚软的地基上，那么由于坐落在地基上的荷载大，合理使用高强钢筋和高强混凝土来优化构件的截面积，减轻结构重量，将会显著降低工程造价及基础设施施工难度，取得较好经济效果。对于震区的高层楼房来说，在设计中高效地使用高强钢筋及高强混凝土，能快速有效的缩小梁墙板柱等构件截面积，达到建筑造价目的。
　　6) 框架梁以及柱箍筋间距。房屋柱箍筋和框架梁等加密区的最大箍筋以及最小箍筋直径间距应该符合规定。依据规定，工程上取柱箍筋与梁的加密区最大间距为100 mm 左右，非加密区箍筋最大的间距为200 mm 左右。通常在柱箍筋和内定梁加密区间距为100 mm 左右，以此为计算依据算出加密区箍筋面积，工程师要依据规范确定肢数与箍筋直径。而在程序内定的条件下，当房屋的框架梁跨中有较大的其他荷载或次梁存在而又只有两肢箍筋情况下，非加密区箍筋间距应采取200 mm 左右，使房屋梁非加密区的配箍充足，故建议内定梁箍筋改为梁非加密区取200 mm。既可保证梁箍筋加密区抗剪切能力，同时又增加梁非加密区抗剪的承载能力，使梁强抗剪性能更加充分体现出来。
　　3 高层建筑中的一些问题
　　1) 由于受到计算速度，截面形式多和荷载约束多等条件的约束，大型结构的结构优化程序和算法还不完整。实用完整的高层建筑优化软件还没有研发出来，但是采用现有的计算软件又达不
　　到理想的效果。不规则的高层建筑结构在实际工程中也会出现，可能会不利于结构的抗震，对它的结构优化很重要。对结构规则布置合理的建筑物，计算后仍然会出现一些问题，这时候加大截面尺寸会增加了材料的用量，也是很不合理的。
　　2) 高层建筑结构优化理论发展迅速，但是实践还是远远落后。大量的研究表明，形状优化比尺寸优化更重要，因此单纯的尺寸优化达不到更好的效果。可在实际工程中，设计人员在已知的几何形状和材料等前提下，由计算软件算出所需的截面尺寸，且其满足设计要求即可。因此在以后的工程中，我们应注意结构的形状优化，达到更好的效果。
　　3) 传统的优化算法对型钢规格型号，建筑物尺寸不连续变化的情况下是无法计算的。而且有些问题规模较大，会导致计算量随之增加，所以迫切需要有一个完善的计算系统。
　　４高层建筑结构优化的几点建议
　　1) 截面的变量选择方法很多，选取何种优化模型是由不同的截面变量选择方法所决定，因此变量选取在高层建筑的结构优化中十分重要。在实际工程的截面优化问题中，影响构件的约束结果和造价与影响构件尺寸的因素是不同的，前者由截面的力学特性A，I 2等影响，而后者是由截面尺寸H，B 等影响。用户可以根据设定的离散域对各变量进行取值，从而保证工程的实用性。此外，根据构件的不同受力状况，梁是根据局部稳定性限制和高宽比为1 /3 ～ 1 /2 生成截面离散尺寸变量，而柱是根据局部稳定性限制和按高宽比1 /2 ～ 1 生成截面离散尺寸变量。
　　2) 根据《高规》规定，通过地震作用下的最大层间位移与水平荷载可以看出高层结构截面尺寸定量优化的整体约束。钢构件和混凝土构件截面优化有所不同，前者截面优化应满足强度，挠度和稳定的要求。而后者由轴压比约束，截面限制约束等控制。
　　
　　参考文献:
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　　［2］ 刘珍． 高层建筑结构两级优化算法的实现［J］． 山西建筑，2011，37( 2) : 36-37．
　　［3］ 张晓芬． 浅析高层建筑结构设计中存在的问题［J］． 科技情报开发与经济，2007( 34) : 11-14．
　　注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。

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