論建筑的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

1、<p>　　論建筑的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究</p><p>　　[摘要]:本文分析了高層建筑結(jié)構(gòu)和工程優(yōu)化設(shè)計(jì)理論的發(fā)展趨勢(shì),研究了高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題,并探討了利用滿(mǎn)應(yīng)力設(shè)計(jì)法進(jìn)行高層建筑的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行性。 </p><p>　　[關(guān)鍵詞]:高層建筑;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);優(yōu)化設(shè)計(jì) </p><p>　　中圖分類(lèi)號(hào)：[TU208.3] 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文

2、章編號(hào)： </p><p><b>　　0前言 </b></p><p>　　高層建筑是隨著社會(huì)生產(chǎn)的發(fā)展和人們生活的需要而發(fā)展起來(lái)的,是城市和工商業(yè)發(fā)展的結(jié)果,而建筑技術(shù)的進(jìn)步,輕質(zhì)高強(qiáng)材料的出現(xiàn)以及機(jī)械化、電氣化、計(jì)算機(jī)在建筑中的應(yīng)用,又為高層建筑的發(fā)展提供了物質(zhì)和技術(shù)基礎(chǔ)。 </p><p>　　1高層建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì) </p&g

3、t;<p>　　第一,鋼筋混凝土材料重新得到重視。與鋼結(jié)構(gòu)相比,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有整體性好、剛度大、位移小、舒適度佳、耐腐蝕、耐高溫、耐火、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。此外,即使是在美、日等鋼鐵工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家,鋼筋混凝土造價(jià)還是低于鋼結(jié)構(gòu)。我國(guó)的高層建筑中,絕大部分為鋼筋混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu),只有少數(shù)采用了鋼結(jié)構(gòu)。輕混凝土、高強(qiáng)混凝土、鋼管混凝土、型鋼混凝土等理論技術(shù)已經(jīng)成熟,而非金屬配筋、新型預(yù)應(yīng)力鋼棒等混凝土增強(qiáng)材料技術(shù)的不斷發(fā)展,也為

4、鋼筋混凝土材料的重新崛起提供了條件。 </p><p>　　第二,組合結(jié)構(gòu)的高層建筑發(fā)展迅速。采用組合結(jié)構(gòu)可建造比混凝土結(jié)構(gòu)更高的建筑,不但具有優(yōu)異的靜、動(dòng)力工作性能,而且能大量節(jié)約鋼材、降低工程造價(jià)和加快施工進(jìn)度。在不同的情況下,可以取代鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu),科技含量也較高,對(duì)環(huán)境污染也較少,已廣泛應(yīng)用于冶金、造船、電力、交通等部門(mén)的建筑中,并以迅猛的勢(shì)頭進(jìn)入了橋梁工程和高層與超高層建筑中。在強(qiáng)震國(guó)家日本,組

5、合結(jié)構(gòu)高層建筑發(fā)展迅速,鋼筋混凝土組合柱應(yīng)用廣泛。由于鋼管內(nèi)混凝土處于三軸受壓狀態(tài),能提高承載力,從而可節(jié)約鋼材。而香港的中國(guó)銀行采用巨形組合柱的建筑設(shè)計(jì)方法,獲得了十分可觀(guān)的經(jīng)濟(jì)效益。隨著混凝土強(qiáng)度的提高以及構(gòu)造和施工技術(shù)上的改進(jìn),組合結(jié)構(gòu)在高層建筑中的應(yīng)用可望進(jìn)一步擴(kuò)大。 </p><p>　　第三,新型結(jié)構(gòu)形式的應(yīng)用不斷增加?？蚣荏w系、剪力墻體系和框架—剪力墻(支撐)體系是高層建筑的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系。根據(jù)筒體的

6、不同組成方式,分為框筒體系、筒中筒體系和多束筒體系3種類(lèi)型。筒體最主要的受力特點(diǎn)是它的空間受力性能。無(wú)論哪一種筒體,在水平力作用下都可以看成固定于基礎(chǔ)上的箱形懸臂構(gòu)件,它比單片平面結(jié)構(gòu)具有更大的抗側(cè)剛度和承載力,并具有很好的抗扭剛度。因此,該種體系廣泛應(yīng)用于多功能、多用途、層數(shù)較多的高層建筑中。而20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的巨形結(jié)構(gòu)(巨形桁架、巨形框架) 、應(yīng)力蒙皮結(jié)構(gòu)、隔震結(jié)構(gòu)等也都已經(jīng)開(kāi)始了廣泛的應(yīng)用。 </p><

7、;p>　　第四,智能建筑的發(fā)展異軍突起?，F(xiàn)代建筑技術(shù)和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的結(jié)合促成了智能建筑的產(chǎn)生,在高層建筑中有更廣闊的應(yīng)用前景。智能建筑是建筑、裝備、服務(wù)和經(jīng)營(yíng)四要素各自?xún)?yōu)化、相互聯(lián)系、全面綜合并達(dá)到最佳組合,以獲得高效率、高功能與高舒適的建筑物。智能建筑是通過(guò)對(duì)建筑物的4個(gè)基本要素,即結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、服務(wù)和管理,以及它們之間的內(nèi)在聯(lián)系,以最優(yōu)化的設(shè)計(jì),提供一個(gè)投資合理又擁有高效率的幽雅舒適、便利快捷、高度安全的環(huán)境空間。智能建筑的構(gòu)成

8、至少必須具備三大系統(tǒng):設(shè)備管理自動(dòng)化系統(tǒng)、通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、辦公自動(dòng)化系統(tǒng),并以此應(yīng)用現(xiàn)代4C技術(shù)構(gòu)成智能建筑結(jié)構(gòu)與系統(tǒng),結(jié)合現(xiàn)代化的服務(wù)與管理方式給人們提供一個(gè)安全、舒適的生活、學(xué)習(xí)與工作環(huán)境空間。 </p><p>　　2工程優(yōu)化設(shè)計(jì)理論的發(fā)展 </p><p>　　第一,工程設(shè)計(jì)軟科學(xué)的發(fā)展。實(shí)際上,人們?cè)谔幚硎挛飼r(shí)都會(huì)遇到硬、軟兩種因素。硬因素就是有實(shí)體的物質(zhì)系統(tǒng)中的一些因素;軟因素就

9、是精神意識(shí)系統(tǒng)中的一些因素。軟科學(xué)和硬科學(xué)的區(qū)分是相對(duì)的,不應(yīng)該也不可能給出截然劃分的界限。目前的工程設(shè)計(jì)主要側(cè)重于力學(xué)分析,具有硬科學(xué)的性質(zhì)。力學(xué)分析只是荷載決定后計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)反應(yīng)的一種手段,是工程設(shè)計(jì)所使用的工具之一。在工程設(shè)計(jì)中,更重要的是必須進(jìn)行很多運(yùn)籌、決策和規(guī)劃的工作,所以,工程設(shè)計(jì)應(yīng)該是硬科學(xué)和軟科學(xué)的結(jié)合,這就需要建立全面的、嶄新的工程設(shè)計(jì)理論。在土建工程設(shè)計(jì)的前期,有許多重大的問(wèn)題需要進(jìn)行科學(xué)的決策,包括工程項(xiàng)目的可行

10、性論證、工程項(xiàng)目的總體規(guī)劃及功能優(yōu)化、結(jié)構(gòu)的造型、結(jié)構(gòu)設(shè)防水平的決策等。所有這些前期的決策工作,其影響都遠(yuǎn)大于目前的以結(jié)構(gòu)計(jì)算為主的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。 </p><p>　　第二,工程項(xiàng)目功能優(yōu)化的發(fā)展。在經(jīng)過(guò)可行性論證決定了工程項(xiàng)目的任務(wù)、規(guī)模、建設(shè)地點(diǎn)、建設(shè)分期等重大問(wèn)題之后,就需要考慮工程建設(shè)的總體布局及規(guī)劃,這也是一個(gè)重大的決策,直接影響工程的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益、運(yùn)行的功能和對(duì)環(huán)境的美學(xué)效應(yīng)。在優(yōu)化整個(gè)工程項(xiàng)目的

11、功能時(shí),可以利用價(jià)值工程的某些概念和手段來(lái)改善現(xiàn)有的方法。 </p><p>　　第三,工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)全局優(yōu)化的發(fā)展。各個(gè)結(jié)構(gòu)獨(dú)立優(yōu)化和拼湊而成的工程系統(tǒng)并不一定優(yōu)化,只有當(dāng)工程系統(tǒng)中各個(gè)結(jié)構(gòu)之間不存在任何橫向約束時(shí),各結(jié)構(gòu)的獨(dú)立優(yōu)化才形成工程系統(tǒng)的優(yōu)化。只有從大系統(tǒng)全局進(jìn)行優(yōu)化,才能真正收到優(yōu)化的效果。 </p><p>　　第四,工程項(xiàng)目全壽命優(yōu)化的發(fā)展。以往的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論針對(duì)的都是具體

12、的結(jié)構(gòu),而在工程實(shí)際中,一般都是整個(gè)工程大系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題,其由眾多子系統(tǒng)或者結(jié)構(gòu)組成,具有高維數(shù)、多目標(biāo)、變量種類(lèi)多、約束耦合復(fù)雜等難點(diǎn),故其子系統(tǒng)的獨(dú)立優(yōu)化并不能帶來(lái)整個(gè)大系統(tǒng)的優(yōu)化方法。實(shí)際的工程系統(tǒng)優(yōu)化模型往往預(yù)先不知道,需要通過(guò)子系統(tǒng)或者結(jié)構(gòu)的具體優(yōu)化模型來(lái)構(gòu)造大系統(tǒng)的全局優(yōu)化模型。工程的全系統(tǒng)全壽命優(yōu)化就是考慮了工程系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)可靠度與模糊因素,在各個(gè)階段的優(yōu)化中都應(yīng)該以工程項(xiàng)目的全局作為優(yōu)化對(duì)象,而各個(gè)單元的優(yōu)化必須在總

13、體全局優(yōu)化的指導(dǎo)下進(jìn)行。 </p><p>　　3 設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題 </p><p>　　第一,只重視結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化,即在給定結(jié)構(gòu)的幾何形狀、拓?fù)浜筒牧系那闆r下,求出滿(mǎn)足約束條件的最優(yōu)構(gòu)件截面,而忽視結(jié)構(gòu)整體的優(yōu)化。已有的研究結(jié)果表明,形狀優(yōu)化比尺寸優(yōu)化更有意義。單純的尺寸優(yōu)化無(wú)法接近最優(yōu)的結(jié)果,因此,也就不能完全令人信服。設(shè)計(jì)人員較普遍地認(rèn)為,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)只要結(jié)構(gòu)方案和布置合理,部結(jié)構(gòu)又有

14、比較成熟的計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行分析計(jì)算,構(gòu)件截面只要通過(guò)計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足規(guī)范即可,認(rèn)為上部結(jié)構(gòu)相對(duì)下部結(jié)構(gòu),即地基基礎(chǔ)部分,特別是軟土地基的意義不大,因此對(duì)上部結(jié)構(gòu)截面的優(yōu)化所能達(dá)到的經(jīng)濟(jì)效益未予以充分的重視。 </p><p>　　第二,優(yōu)化的目標(biāo)還不能完全符合工程的需要。由于實(shí)際結(jié)構(gòu)問(wèn)題往往十分復(fù)雜,存在設(shè)計(jì)變量多、約束條件多、受建筑功能限制較大等難點(diǎn),多種因素甚至不確定性因素使得目標(biāo)函數(shù)在建立后只能得到相對(duì)最優(yōu)解。而

15、且,目前尚沒(méi)有實(shí)用的高層建筑優(yōu)化分析軟件,而應(yīng)用現(xiàn)有的各種計(jì)算機(jī)分析軟件進(jìn)行截面優(yōu)化并不是簡(jiǎn)單的幾次嘗試就能達(dá)到效果的,因此,無(wú)論是機(jī)時(shí),還是設(shè)計(jì)進(jìn)度,都較難允許實(shí)施這種優(yōu)化方法。很多高層建筑設(shè)計(jì)項(xiàng)目,結(jié)構(gòu)方案和布置還是比較合理的,其構(gòu)件截面也是同類(lèi)型結(jié)構(gòu)中常用的尺寸,但是計(jì)算分析后還存在某些薄弱環(huán)節(jié),為了改善這種受力狀況,增大構(gòu)件截面卻未能得到明顯改善,反而增加了材料耗量。 </p><p>　　第三,離散變量

16、優(yōu)化問(wèn)題。建筑物尺寸以及鋼筋、型鋼規(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(wú)法勝任。而且,由于問(wèn)題的規(guī)模較大,隨之帶來(lái)的計(jì)算量急劇增加的“組合爆炸”問(wèn)題也會(huì)使計(jì)算量急劇增加。 </p><p>　　4高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法 </p><p>　　對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行優(yōu)化采用何種方法,首先應(yīng)分析這一問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)、目標(biāo)函數(shù)中的各種變量,這些

17、變量之間的各種數(shù)學(xué)解析關(guān)系以及與各種變量有關(guān)的約束條件,在分析的基礎(chǔ)上是采用間接優(yōu)化還是直接優(yōu)化方法來(lái)確定。高層建筑結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化的目標(biāo)就是材料耗量,材料耗量決定于構(gòu)件的截面尺寸大小,截面尺寸必須滿(mǎn)足通過(guò)力學(xué)分析得到各構(gòu)件內(nèi)力后的強(qiáng)度計(jì)算及位移變形等條件。 </p><p>　　滿(mǎn)應(yīng)力設(shè)計(jì)法是在桁架等桿系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中發(fā)展起來(lái)的,是結(jié)構(gòu)優(yōu)化中最簡(jiǎn)單、最易為工程人員理解的一種準(zhǔn)則法。所謂滿(mǎn)應(yīng)力是指結(jié)構(gòu)構(gòu)件在荷載作用下的

18、最大應(yīng)力達(dá)到所用材料的容許應(yīng)力,此時(shí)材料的強(qiáng)度得到充分利用,構(gòu)件截面面積將是最小,故可作為桁架最輕設(shè)計(jì)或體積最小設(shè)計(jì)的一個(gè)準(zhǔn)則。滿(mǎn)應(yīng)力設(shè)計(jì)法是結(jié)構(gòu)在規(guī)定材料和幾何形狀的條件下,按照滿(mǎn)應(yīng)力準(zhǔn)則的要求,修改構(gòu)件的截面尺寸,使每一構(gòu)件至少在一種工況下達(dá)到或接近其容許應(yīng)力限值的優(yōu)化算法。如果結(jié)構(gòu)除了應(yīng)力約束外還有界限約束,則要求每一構(gòu)件應(yīng)力約束和界限約束中至少有一個(gè)達(dá)到臨界值。 </p><p>　　利用滿(mǎn)應(yīng)力設(shè)計(jì)法進(jìn)行

19、高層建筑的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)要遵循以下步驟:首先,要根據(jù)常規(guī)做法和經(jīng)驗(yàn)確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的初始截面尺寸,并按構(gòu)件分類(lèi)分別建立柱、墻、梁可供選擇截面尺寸的數(shù)據(jù)庫(kù);其次,要對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行力學(xué)分析,算出各工況下結(jié)構(gòu)的位移及內(nèi)力,并對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行承載力計(jì)算;再次,要根據(jù)計(jì)算結(jié)果,對(duì)構(gòu)件截面尺寸進(jìn)行調(diào)整,在滿(mǎn)足位移條件的前提下,盡量充分發(fā)揮構(gòu)件材料的性能,即按規(guī)范計(jì)算使其接近滿(mǎn)應(yīng)力狀態(tài),但截面選擇應(yīng)在指定的數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行,并統(tǒng)計(jì)截面需修改的個(gè)數(shù); 然后,根據(jù)修

20、改截面的數(shù)量、性質(zhì),由人工干預(yù)決定或指定一個(gè)限值自動(dòng)決定是否重新計(jì)算,即返回到第二步計(jì)算,如此循環(huán)反復(fù),直到滿(mǎn)足要求為止;最后,輸出最后優(yōu)化的構(gòu)件截面尺寸及計(jì)算結(jié)果。 </p><p><b>　　5 結(jié)束語(yǔ) </b></p><p>　　當(dāng)前,在無(wú)成熟的優(yōu)化分析軟件的情況下,應(yīng)用現(xiàn)有的高層建筑結(jié)構(gòu)分析軟件,采用人工分析調(diào)整構(gòu)件的截面尺寸,進(jìn)行反復(fù)運(yùn)算,也可達(dá)到優(yōu)化效

21、果,但費(fèi)工費(fèi)時(shí),較難滿(mǎn)足設(shè)計(jì)進(jìn)度要求,而且對(duì)設(shè)計(jì)人員的素質(zhì)要求較高,需要有較高的分析判別能力。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1] 《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ 3—2010 </p><p>　　[2] 《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50011—2010 </p><p>