探讨建筑的结构优化设计
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[摘要]:本文结合作者多年工作经验，分析了高层建筑结构和工程优化设计理论的发展趋势,研究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]:高层建筑;结构设计;优化设计
0前言
高层建筑是随着社会生产的发展和人们生活的需要而发展起来的,是城市和工商业发展的结果,而建筑技术的进步,轻质高强材料的出现以及机械化、电气化、计算机在建筑中的应用,又为高层建筑的发展提供了物质和技术基础。
1高层建筑结构的发展
1．1钢筋混凝土材料重新得到重视。与钢结构相比,钢筋混凝土结构具有整体性好、刚度大、位移小、舒适度佳、耐腐蚀、耐高温、耐火、维护方便等优点。此外,即使是在美、日等钢铁工业发达的国家,钢筋混凝土造价还是低于钢结构。我国的高层建筑中,绝大部分为钢筋混凝土现浇结构,只有少数采用了钢结构。轻混凝土、高强混凝土、钢管混凝土、型钢混凝土等理论技术已经成熟,而非金属配筋、新型预应力钢棒等混凝土增强材料技术的不断发展,也为钢筋混凝土材料的重新崛起提供了条件。
1．2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。
1．3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。
1．4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。
2工程优化设计理论的发展
2．1工程项目功能优化的发展。在经过可行性论证决定了工程项目的任务、规模、建设地点、建设分期等重大问题之后,就需要考虑工程建设的总体布局及规划,这也是一个重大的决策,直接影响工程的社会和经济效益、运行的功能和对环境的美学效应。在优化整个工程项目的功能时,可以利用价值工程的某些概念和手段来改善现有的方法。
2．2工程设计软科学的发展。实际上,人们在处理事物时都会遇到硬、软两种因素。硬因素就是有实体的物质系统中的一些因素;软因素就是精神意识系统中的一些因素。软科学和硬科学的区分是相对的,不应该也不可能给出截然划分的界限。目前的工程设计主要侧重于力学分析,具有硬科学的性质。力学分析只是荷载决定后计算结构力学反应的一种手段,是工程设计所使用的工具之一。在工程设计中,更重要的是必须进行很多运筹、决策和规划的工作,所以,工程设计应该是硬科学和软科学的结合,这就需要建立全面的、崭新的工程设计理论。在土建工程设计的前期,有许多重大的问题需要进行科学的决策,包括工程项目的可行性论证、工程项目的总体规划及功能优化、结构的造型、结构设防水平的决策等。所有这些前期的决策工作,其影响都远大于目前的以结构计算为主的优化设计工作。
2．3工程结构系统全局优化的发展。各个结构独立优化和拼凑而成的工程系统并不一定优化,只有当工程系统中各个结构之间不存在任何横向约束时,各结构的独立优化才形成工程系统的优化。只有从大系统全局进行优化,才能真正收到优化的效果。
2．4工程项目全寿命优化的发展。以往的优化设计理论针对的都是具体的结构,而在工程实际中,一般都是整个工程大系统的优化设计问题,其由众多子系统或者结构组成,具有高维数、多目标、变量种类多、约束耦合复杂等难点,故其子系统的独立优化并不能带来整个大系统的优化方法。实际的工程系统优化模型往往预先不知道,需要通过子系统或者结构的具体优化模型来构造大系统的全局优化模型。工程的全系统全寿命优化就是考虑了工程系统中的动态可靠度与模糊因素,在各个阶段的优化中都应该以工程项目的全局作为优化对象,而各个单元的优化必须在总体全局优化的指导下进行。
3 设计中存在的问题
3．1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。
3．2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。
3．3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结构中常用的尺寸,但是计算分析后还存在某些薄弱环节,为了改善这种受力状况,增大构件截面却未能得到明显改善,反而增加了材料耗量。
4高层建筑结构优化设计
4．1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。
4．2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。
4．3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。
5 结束语
高层建筑项目投资大，建设周期长，对其进行优化设计能够有效减少投资资金。当前,在无成熟的优化分析软件的情况下,应用现有的高层建筑结构分析软件,采用人工分析调整构件的截面尺寸,进行反复运算,也可达到优化效果,但费工费时,较难满足设计进度要求,而且对设计人员的素质要求较高,需要有较高的分析判别能力。
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