時(shí)間：2023-08-28 16:30:27
序論：在您撰寫高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，參考他人的優(yōu)秀作品可以開闊視野，小編為您整理的7篇范文，希望這些建議能夠激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，引導(dǎo)您走向新的創(chuàng)作高度。
【關(guān)鍵詞】高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；問題及對(duì)策
引言
我國科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是我國高層建筑設(shè)計(jì)與管理中較為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，其主要的目標(biāo)就是在于提升高層建筑的結(jié)構(gòu)合理性和經(jīng)濟(jì)性。但是，在我國高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化過程中還存在很多的問題，無論是管理體制方面還是在具體的實(shí)施過程中，都存在很多的不足之處，所以我們需要加強(qiáng)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化工作，保證各個(gè)環(huán)節(jié)都能夠做到科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、合理，從而使得高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化能夠得到最大程度的保障，為我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。
1 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要意義
目前，我國高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大多數(shù)是運(yùn)用鋼筋混凝土作為最基本的材料。鋼筋混凝土具有造價(jià)低、來源豐富、形狀多樣等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師的各種創(chuàng)意設(shè)計(jì)，還能有效地節(jié)省鋼材。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在耐久性、耐火性以及承載能力方面有著明顯的優(yōu)勢，并且通過建筑設(shè)計(jì)師的巧妙設(shè)計(jì)，還能實(shí)現(xiàn)非常理想的抗震性。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)也有一些缺點(diǎn)，例如：斷面大、自重大，而且費(fèi)模費(fèi)工。
伴隨著社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展，人們生活水平不斷提高，高層建筑也正在飛速發(fā)展，并形成更具有商業(yè)化、城市化以及工業(yè)化的結(jié)果?？茖W(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，出現(xiàn)的輕質(zhì)高強(qiáng)的材料，為高層的建筑發(fā)展提供了有利的條件。近些年以來，高層建筑在世界各地不斷涌現(xiàn)，因此，對(duì)高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)與結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的了解成了首要的問題，唯有如此，才能達(dá)到先進(jìn)的，安全的并且能保證質(zhì)量的設(shè)計(jì)產(chǎn)品，才能真正提高高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的品質(zhì)，進(jìn)而滿足人們居住的條件。社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來講起到很大的促進(jìn)作用，同時(shí)，對(duì)設(shè)計(jì)的質(zhì)量也提出更高的要求，要把高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量提高到更高的檔次，就必須提高建筑設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)水平，并且要把握結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的獨(dú)特的特點(diǎn)，把這些重要的要素結(jié)合在一起并進(jìn)行有效的運(yùn)用，才能實(shí)現(xiàn)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的完美品質(zhì)。
2 高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算中要點(diǎn)和優(yōu)化策略
2.1 優(yōu)化高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算中的計(jì)算軟件選用
在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該按照實(shí)際情況選擇適當(dāng)?shù)挠?jì)算軟件進(jìn)行處理，在選擇三維空間分析軟件時(shí)不能選取力學(xué)模型相同的，特別是在遇到受力比較復(fù)雜的情況下，譬如在對(duì)框支剪力墻進(jìn)行分析的過程中，因?yàn)槠洚a(chǎn)生了多次的變換，所以選擇軟件的過程中需要特別注意。同時(shí)在分析局部受力比較繁瑣的構(gòu)件時(shí)，還需要根據(jù)分析的結(jié)果對(duì)配筋設(shè)計(jì)進(jìn)行改動(dòng)。
2.2 優(yōu)化高層建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算中的計(jì)算參數(shù)取值
首先，將建筑物的抗震功能考慮到建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中時(shí)，需要考慮結(jié)構(gòu)的平扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)，將其加到結(jié)構(gòu)計(jì)算的過程中，要保證振型數(shù)等于或者大于十五，多塔結(jié)構(gòu)的振型數(shù)需要大于或者等于九倍的原振型數(shù)，同時(shí)還需要保證振型參與質(zhì)量大于等于結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的90%，如果達(dá)不到這個(gè)要求，就會(huì)在后面的計(jì)算過程中出現(xiàn)較大的誤差，計(jì)算結(jié)果也不再具有參考意義。
其次，計(jì)算高層建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)力位位移時(shí)，如果只考慮梁、柱等關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剛度，而不計(jì)算非承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剛度，那么最終測量計(jì)算出來的自振周期就會(huì)比實(shí)際測量的值大，這樣最終設(shè)計(jì)出來的結(jié)構(gòu)受到地震的作用也會(huì)相對(duì)較小。特別是在設(shè)計(jì)框架結(jié)構(gòu)過程時(shí)建筑的剛度很大，過多的實(shí)心墻體運(yùn)用會(huì)使得整個(gè)周期實(shí)測值變??；運(yùn)用剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí)，較少的磚塊使用量能夠保證墻體的剛度較小，這樣就能夠保證測量值和實(shí)際計(jì)算值之間的差距較小。因此在對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)過程中，在考慮建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能時(shí)需要將非承重結(jié)構(gòu)的剛度等因素考慮進(jìn)去，使用數(shù)據(jù)時(shí)也需要結(jié)合非承重墻相關(guān)方面的數(shù)據(jù)，通過一定的計(jì)算進(jìn)行相應(yīng)的改動(dòng)，但是現(xiàn)在很多建筑設(shè)計(jì)師在對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)時(shí)，通常都是利用軟件的默認(rèn)值1.0，這樣就會(huì)導(dǎo)致很多有其他結(jié)構(gòu)的建筑都會(huì)存在很大的安全隱患，抗壓抗震能力十分微弱。
3 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的要點(diǎn)與優(yōu)化策略
3.1 優(yōu)化高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中梁柱構(gòu)造
如果梁的腹板高度hW≥450mm，就應(yīng)該在梁的兩側(cè)分別依照高度來配置縱向安排鋼筋，每側(cè)縱向鋼筋的截面面積不應(yīng)該比腹板截面積（bhW）的0.1%還要小，同時(shí)間距不應(yīng)該比200mm大。在實(shí)行抗震設(shè)計(jì)的過程中，框架柱應(yīng)該達(dá)到剪壓比的需要，它的截面關(guān)鍵應(yīng)該讓軸壓比來掌控。不過在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)里面常常會(huì)產(chǎn)生軸壓比μN(yùn)達(dá)上限甚至超限的現(xiàn)象，但箍筋的體積配箍率ρV卻無法達(dá)到規(guī)程需要的狀況。這就違背了框架柱的強(qiáng)剪弱彎準(zhǔn)則，同時(shí)對(duì)柱的延性產(chǎn)生了一定的作用。
3.2 優(yōu)化高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中過渡層設(shè)計(jì)
假使剪力墻結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)換層或者是過渡層中，例如：底層框架剪力墻結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在應(yīng)對(duì)地震時(shí)能夠展現(xiàn)出最大的抗剪切力合抗傾覆力矩，而且這種結(jié)構(gòu)不利于它在地震中的受力。而且，因?yàn)槭艿搅舜怪本鶆蚝奢d的作用，轉(zhuǎn)換層或者過渡層在受到剪力墻壓剪以及拉剪作用，結(jié)構(gòu)的橫向荷載發(fā)生作用，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換層或者過渡層剪力墻結(jié)構(gòu)受到的很像承載力減少，同時(shí)結(jié)構(gòu)的抗裂性也會(huì)降低。通過實(shí)驗(yàn)不難發(fā)現(xiàn)，一旦結(jié)構(gòu)中的反復(fù)橫向荷載和垂直同時(shí)作用時(shí)，轉(zhuǎn)換層或者過渡層所受到的橫向荷載以及承載力就會(huì)減少很多?？墒侨绻凑掌匠５臋z驗(yàn)和計(jì)算對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)，如果結(jié)構(gòu)的垂直荷載或者結(jié)構(gòu)高跨比較小時(shí)，那么最后估算出來的剪力墻承載力就會(huì)比較大，這樣會(huì)導(dǎo)致整個(gè)建筑的安全系數(shù)較低，抗震能力較弱。因此，在設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層或者過渡層時(shí)應(yīng)該在每個(gè)結(jié)構(gòu)部分里加入構(gòu)造柱和圈梁，這樣就能夠形成一個(gè)類框架系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)的抗震能力就得到了顯著提升，結(jié)構(gòu)過渡層或者轉(zhuǎn)換層傳送剪切力更加靈敏，延展性等各方面的性能會(huì)大大增強(qiáng)，整個(gè)建筑會(huì)更加趨于安全。
4 結(jié)語
綜上所述，我國高層建筑正在不斷發(fā)展，高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)正在不斷優(yōu)化，其在高層建筑工程發(fā)展中慢慢體現(xiàn)出了極其重要的作用。在當(dāng)前國內(nèi)外經(jīng)濟(jì)形勢的一片大好的發(fā)展背景下，加強(qiáng)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化管理，有著非同尋常的作用。與此同時(shí)，通過對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)優(yōu)化，能夠促進(jìn)投資成本在工程項(xiàng)目的質(zhì)量安全和環(huán)保節(jié)能等方面進(jìn)行合理而均衡的分配，從而使高層建筑項(xiàng)目獲得更高的增值，并進(jìn)一步推動(dòng)我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)以及城市化步伐的加快。而負(fù)責(zé)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的相關(guān)人員，要對(duì)這些工作有充足的把握。在這種情況下，才會(huì)完成好高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化等一系列工作，進(jìn)而保證高層建筑工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)管理的順利進(jìn)行。
參考文獻(xiàn)：
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[關(guān)鍵詞]高層建筑；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；優(yōu)化設(shè)計(jì)
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市人口的不多增加以及建設(shè)用地的日趨緊張，使得高層建筑如雨后春筍般發(fā)展。從現(xiàn)在的建筑水平來說，高層建筑或高層住宅是今后整個(gè)建筑業(yè)的重點(diǎn)。所以高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要性就日益凸顯出來。
所謂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，就是指工程結(jié)構(gòu)在滿足約束條件下按照預(yù)定目標(biāo)求出最優(yōu)方案的設(shè)計(jì)方法。
1.高層建筑的發(fā)展方向
1.1新材料的開發(fā)和應(yīng)用
隨著高性能混凝土的研制和發(fā)展，混凝土的強(qiáng)度等級(jí)和韌性得到了很大程度的改善，尤其是高強(qiáng)度混凝土的出現(xiàn)，使用高強(qiáng)度混凝土可以減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸，從而減小結(jié)構(gòu)的自重；高層建筑鋼結(jié)構(gòu)中FR鋼提高了高溫時(shí)鐵的強(qiáng)度，使鋼材的防火保護(hù)層厚度減小，從而降低鋼結(jié)構(gòu)的造價(jià)。
1.2隔震和消能減震設(shè)計(jì)得到推廣
目前我國和世界各國普遍采用的傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)體系是“延性結(jié)構(gòu)體系”，即適當(dāng)控制結(jié)構(gòu)物的剛度，但容許結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震時(shí)進(jìn)入非彈性狀態(tài)，并具有較大的延性，以消耗地震能量，減輕地震反應(yīng)，使結(jié)構(gòu)物“裂而不倒”。高層建筑結(jié)構(gòu)的減震是通過在結(jié)構(gòu)中設(shè)置被動(dòng)耗能裝置，為結(jié)構(gòu)提供一定的附加剛度或附加阻尼，從而消耗本來由結(jié)構(gòu)構(gòu)件所需承擔(dān)的地震能量，以減輕結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)，從而大大減輕了高層建筑結(jié)構(gòu)的變形和損傷。
1.3智能建筑技術(shù)得到發(fā)展
現(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)營四要素各自優(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。
2.高層建筑優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的問題
目前，結(jié)構(gòu)優(yōu)化的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于理論進(jìn)展，特是高層建筑土木建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用還不普遍。其主要原因有：
2.1高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作量比較大
高層建筑優(yōu)化理論相對(duì)落后，而且目前沒有實(shí)用的結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件，高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化變量個(gè)數(shù)比較多，且變量隨著結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度而急劇增加，又難以區(qū)分主動(dòng)變量和被動(dòng)變量，只能求出相對(duì)最優(yōu)解。高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題需要通過反復(fù)多次尋優(yōu)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析極少能一次成功，這就大大增加了高層建筑優(yōu)化分析的工作量。
2.2結(jié)構(gòu)尺寸
如果只重視結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化（即在給定結(jié)構(gòu)的幾何形狀、荷載和材料的情況下，求出滿足約束條件的最優(yōu)構(gòu)件截面），而忽視結(jié)構(gòu)整體的優(yōu)化。現(xiàn)在結(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)化無法接近最優(yōu)的結(jié)果，也不能令人信服。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，結(jié)構(gòu)又有比較成熟的計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行分析計(jì)算。構(gòu)件截面只要通過計(jì)算結(jié)果滿足規(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)效益未予以足夠的重視。
2.3對(duì)離散變量無法做出準(zhǔn)確的分析
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法勝任。而且，由于問題的規(guī)模較大，隨之帶來的計(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。
3.高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法
3.1方法
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)分析這一問題的目標(biāo)函數(shù)、目標(biāo)函數(shù)中的各種變量，這些變量之間的各種數(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，截面尺寸必須滿足通過力學(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。因此，目標(biāo)函數(shù)很難用明確的數(shù)學(xué)解析式來表達(dá)，不能用數(shù)學(xué)上求極小值的方法，也就是一般所說的間接優(yōu)化方法來優(yōu)化。高層建筑結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化只能采用直接優(yōu)化法來解決，即給目標(biāo)函數(shù)中變量以已知值，經(jīng)過試算使其滿足一定的約束條件，求得其目標(biāo)值，并找出使目標(biāo)值逐步變小而趨向最佳值的路線或方向，以達(dá)到目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值。因此，可以采用滿應(yīng)力法進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。
3.2滿應(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)展起來的，是結(jié)構(gòu)優(yōu)化中最簡單、最易為工程人員理解的一種準(zhǔn)則法。所謂滿應(yīng)力是指結(jié)構(gòu)構(gòu)件在荷載作用下的最大應(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。
3.3利用滿應(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)要遵循以下步驟：①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)件分類分別建立柱、墻、梁可供選擇截面尺寸的數(shù)據(jù)庫；②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；③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)算使其接近滿應(yīng)力狀態(tài)。
總之，由于目前我國高層建筑發(fā)展迅速，在其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇會(huì)到各種問題，這就需要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員不斷地積累經(jīng)驗(yàn)，自主創(chuàng)新，利用正確概念進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。因此，結(jié)構(gòu)工程師必須在每一個(gè)工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中都能做到不斷地探求自然法則，不懈地追求相對(duì)的最優(yōu)，要通過反思比較，在經(jīng)驗(yàn)積累中不斷提高自己的判斷力和創(chuàng)新力。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)來降低工程造價(jià)是控制工程投資的一個(gè)有效途徑，而正確處理技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的對(duì)立統(tǒng)一是控制投資的關(guān)鍵。不能片面強(qiáng)調(diào)節(jié)約投資，而降低技術(shù)和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，又要反對(duì)重技術(shù)、輕經(jīng)濟(jì)，設(shè)計(jì)保守浪費(fèi)的現(xiàn)象。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首要任務(wù)是滿足建筑功能的需求，實(shí)現(xiàn)建筑物適用、安全、美觀、經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)。
參考文獻(xiàn)
[1]沈蒲生.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.
關(guān)鍵詞：高層建筑結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；成本降低
1研究背景
伴隨著城市化進(jìn)程的加快，全球經(jīng)濟(jì)一體化形式的構(gòu)成，越來越多的農(nóng)村人口向城市涌進(jìn)，這無疑將增大城市的人口壓力和住房壓力，而為了有效地將這些壓力緩解，避免社會(huì)矛盾激化，因而在技術(shù)水平的支持下不斷出現(xiàn)了高層建筑，顯然這在一定程度上將住房壓力緩解了。然而，正如我們所知，技術(shù)是在不斷進(jìn)步的，以往的設(shè)計(jì)方式弊端也會(huì)在使用中不斷顯露出來，為了更好地保證人們住房的安全，非常有必要對(duì)現(xiàn)有的高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。筆者根據(jù)自身的工作經(jīng)驗(yàn)，在文章中將以A市的某個(gè)高層建筑作為實(shí)際案例進(jìn)行分析闡述。該高層建筑共有10層，30m高，建筑物內(nèi)部各項(xiàng)系統(tǒng)部件構(gòu)成完整。
2關(guān)于未來高層建筑發(fā)展的趨勢分析
2.1新型材料的開發(fā)與運(yùn)用
科技水平的進(jìn)步，不斷研究和開發(fā)出了新型的高性能混凝土材料，在很大程度上改善了傳統(tǒng)混凝土的韌性及強(qiáng)度等級(jí)，尤其是在建筑施工中出現(xiàn)了高強(qiáng)度的混凝土之后，施工人員在施工操作中有效地將結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸減小了，這有助于結(jié)構(gòu)的自重也隨之減小。另外，存在于高層建筑中鋼結(jié)構(gòu)中的FR鋼能夠有效地將高溫時(shí)鐵的強(qiáng)度提高，從而減小鋼材中防火保護(hù)層的厚度，最終使鋼結(jié)構(gòu)在整個(gè)工程建筑中的成本造價(jià)降低了。
2.2逐漸推廣的消能減震和隔震設(shè)計(jì)
現(xiàn)階段，延性結(jié)構(gòu)體系作為傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)體系是在全世界范圍內(nèi)被普遍采用的，我國也是如此，一直沿用著這樣的結(jié)構(gòu)體系，其通過適當(dāng)?shù)膶?duì)結(jié)構(gòu)物的剛度進(jìn)行控制，容許在地震時(shí)結(jié)構(gòu)構(gòu)件能夠自行進(jìn)入非彈性的狀態(tài)，并在保持較大延性的情況下，盡可能的將地震能量消耗掉，有利于將地震帶來的不良反應(yīng)減輕，最終保證建筑結(jié)構(gòu)能夠長久地佇立而不坍塌。在高層建筑的結(jié)構(gòu)中，是否能夠有效地減震，其前提是需要提前將被動(dòng)耗能的裝置設(shè)計(jì)出來，以便將一定的附加阻尼或者附加剛度提供給建筑物結(jié)構(gòu)，從而將結(jié)構(gòu)構(gòu)件需要承擔(dān)的那一部分地震能量消耗掉，以便將結(jié)構(gòu)中的動(dòng)力反應(yīng)降低，最終有利于將高層結(jié)構(gòu)建筑中的損傷和變形程度降低。
2.3大力發(fā)展智能建筑這一技術(shù)
在高新技術(shù)和現(xiàn)代建筑技術(shù)產(chǎn)業(yè)的結(jié)合之下，產(chǎn)生了新型的智能建筑產(chǎn)業(yè)。從其自身所具有的特點(diǎn)和應(yīng)用的特性分析，該技術(shù)能夠廣泛地應(yīng)用在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之中。簡單講就是，服務(wù)、建筑、經(jīng)營及裝備等四部分內(nèi)容的結(jié)合體就是智能化建筑，在有效全面的綜合、各自優(yōu)化以及相互關(guān)聯(lián)的情況下，能夠使四者之間達(dá)到最佳的組合狀態(tài)，從而確保建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是符合高舒適、高效率和高功能的要求的。通過服務(wù)、結(jié)構(gòu)、管理和系統(tǒng)等四個(gè)基本的要素在智能化建筑中所建立起來的內(nèi)在聯(lián)系的作用，隨后在優(yōu)化設(shè)計(jì)的利用下，能夠?qū)⒁粋€(gè)高效率運(yùn)用、投資合理的安全、干凈、舒適的環(huán)境空間提供給用戶。若想有效地構(gòu)成智能化建筑，必須同時(shí)具備三大系統(tǒng)，分別是辦公自動(dòng)化系統(tǒng)、設(shè)備管理的自動(dòng)化系統(tǒng)以及通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，只有在這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)背景之下，才能夠?qū)⒁粋€(gè)舒適、安全的工作和生活環(huán)境提供給客戶。
3存在于高層建筑優(yōu)化設(shè)計(jì)中的弊端
現(xiàn)如今，有關(guān)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)已經(jīng)十分成熟，但是將理論基礎(chǔ)應(yīng)用到實(shí)際的施工設(shè)計(jì)和操作中還存在很多的問題，這極大地阻礙了高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的進(jìn)一步發(fā)展。
3.1高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工作內(nèi)容復(fù)雜
相較于國外的高層建筑發(fā)展現(xiàn)狀而言，我國的高層建筑發(fā)展時(shí)間較短，因而還有很多的實(shí)踐理論在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中較為缺乏，從基本國情出發(fā)，符合我國建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的軟件技術(shù)十分有限。但由于有較多的變量個(gè)數(shù)存在于高層建筑的結(jié)構(gòu)優(yōu)化之中，并且在結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度增大的情況下變量個(gè)數(shù)也會(huì)不斷增加，現(xiàn)有的軟件技術(shù)又難以有效地將被動(dòng)變量和主動(dòng)變量區(qū)分出來，只能夠簡單地將相對(duì)最優(yōu)解求出來，因而在這樣的發(fā)展背景下，難以促進(jìn)高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在我國的進(jìn)一步發(fā)展。在多方調(diào)查后認(rèn)為，只有多次反復(fù)地尋找探索，才有可能將存在于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的弊端一一解決掉。從總體上分析，極少有一次性設(shè)計(jì)高層建筑結(jié)構(gòu)成功的案例，文章所列舉的這一案例也是在多次反復(fù)的設(shè)計(jì)研究再設(shè)計(jì)以后才成功的，因而從這一方面便可以看出有較大的分析工作量存在于高層建筑的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)之中。
3.2過多的優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸
在建筑物結(jié)構(gòu)材料、幾何形狀以及荷載給定的情況下，將滿足于設(shè)計(jì)條件的最優(yōu)化構(gòu)件的截面求解了出來，卻在一定程度上將結(jié)構(gòu)整體的優(yōu)化工作給忽視了，但是從實(shí)際的研究證明中可以看出，更具有實(shí)踐和應(yīng)用意義的就是形狀優(yōu)化。簡單地說便是最優(yōu)結(jié)果的得到是不可能通過單純的優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)的，其需要做到全方位的考慮。然而大多數(shù)的建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工作人員都認(rèn)為，只需要合理的方案設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)布置，便可以在計(jì)算機(jī)軟件中將準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算出來，可見，對(duì)于軟土地基的設(shè)計(jì)并沒有太大意義，這對(duì)于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的最終結(jié)果自然也是難以保證的。
4優(yōu)化設(shè)計(jì)的措施
4.1合理設(shè)計(jì)方法的選擇
首先需要分析建筑物結(jié)構(gòu)的使用性質(zhì)，在各種變量的掌握下，將有效的設(shè)計(jì)方法提取出來，如：直接優(yōu)化或間接優(yōu)化。其中，材料耗量便是高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)，因而需要從構(gòu)建截面的大小尺寸上分析。針對(duì)于本次案例中所采取的直接優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法，筆者認(rèn)為是合理的，其在已知目標(biāo)函數(shù)變量的情況下，滿足了一定約束的條件。在進(jìn)一步對(duì)高層建筑中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化所具備的條件進(jìn)行分析以后發(fā)現(xiàn)，從現(xiàn)代化建筑設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，滿應(yīng)立法的使用更加有利于優(yōu)化高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
4.2發(fā)展于桁架等桿設(shè)計(jì)中的滿應(yīng)力法
其作為準(zhǔn)則法的一種，是最容易理解、最容易操作的。其是在建筑結(jié)構(gòu)有規(guī)定幾何形狀和結(jié)構(gòu)的情況下，根據(jù)滿應(yīng)力法則的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)截面構(gòu)建的尺寸進(jìn)行修改，確保一次的應(yīng)力限值計(jì)算都是在最優(yōu)化的算法中進(jìn)行的。
4.3優(yōu)化設(shè)計(jì)的合理性
需要在實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和常規(guī)做法的遵循下，將初始結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸確定出來，并在構(gòu)建分類的參照下，將有關(guān)于梁、柱及墻的數(shù)據(jù)庫分別建立起來；通過計(jì)算結(jié)果的提供，調(diào)整構(gòu)建截面的尺寸，并在位移條件的滿足之下，將構(gòu)件材料的性能有效地發(fā)揮出來。
5總結(jié)
綜上所述，為了更好地滿足人們的要求，與社會(huì)的發(fā)展相適應(yīng)，就必須進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在合理設(shè)計(jì)方式的選擇下，充分地將結(jié)構(gòu)構(gòu)件的作用發(fā)揮出來。
作者:張海良 單位:福建經(jīng)福建筑設(shè)計(jì)工程有限公司廈門分公司
參考文獻(xiàn):
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關(guān)鍵詞：高層建筑 結(jié)構(gòu) 特點(diǎn) 設(shè)計(jì) 原則 要求
中圖分類號(hào)： TU97 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
正文：
一、高層建筑結(jié)構(gòu)類型
高層建筑結(jié)構(gòu)體系按照結(jié)構(gòu)形式可以分為框架、剪力墻結(jié)構(gòu)，框架結(jié)構(gòu)，剪力墻結(jié)構(gòu)?？蚣芙Y(jié)構(gòu)因?yàn)槭抢弥?、梁等結(jié)構(gòu)來承重的，所以這種結(jié)構(gòu)體系的側(cè)向位移相對(duì)較大，一般適用于低于50m的建筑。剪力墻結(jié)構(gòu)因?yàn)槭强扛邔咏ㄖ膲w來承重的，所以這種結(jié)構(gòu)的整體性能相對(duì)較好，不易產(chǎn)生水平方向的變形，一般多應(yīng)用于高層建筑，但是因?yàn)槠湓谄矫嫔系牟贾貌粔蜢`活，所以很少在公共建筑設(shè)計(jì)中使用。而框架、剪力墻組合結(jié)構(gòu)則是結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)、改善了其中的缺點(diǎn)，所以被廣泛應(yīng)用于高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。
二、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則
2.1 選擇合適的基礎(chǔ)方案
現(xiàn)在的設(shè)計(jì)一大特色就是不能因工程而破壞周邊的環(huán)境，而改變的周邊的生態(tài)環(huán)境。一切的工程圍繞環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)施工，使工程與自然很好的融入到一起，使得兩者和諧共存。在基礎(chǔ)方案的設(shè)計(jì)中，要把所有的相關(guān)因素全部的包括在內(nèi)，綜合各方面的因素，再考慮經(jīng)濟(jì)性對(duì)工程進(jìn)行整體的評(píng)估，然后對(duì)方案進(jìn)行正式的審核，最后施工，一切立足由可持續(xù)發(fā)展的觀念進(jìn)行施工，工程的質(zhì)量一定會(huì)得以保障。
2.2 選擇合理的結(jié)構(gòu)方案
高層建筑作為近幾年剛剛興起的一門學(xué)科，具有很復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在施工的過程中要考慮的方面很多，像是供水問題、線路等各方面都是我們要考慮的。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中重要的有以下幾點(diǎn)：材料的要求、施工的環(huán)境、還要充分的考慮抗擊自然災(zāi)害的能力。我們要嚴(yán)格的遵循平面和豎直的設(shè)計(jì)原則。結(jié)構(gòu)方案不僅僅是施工單位一方的事情，施工單位與使用方要達(dá)成一致，在設(shè)計(jì)方面以及今后的發(fā)展方向要進(jìn)行詳細(xì)的展望，為了所選取得結(jié)構(gòu)方案更加的合理，最大限度的達(dá)到預(yù)期的目的。
三、工程設(shè)計(jì)案例分析
某高層建筑設(shè)計(jì)使用功能為餐飲、辦公一體屬綜合性公共建筑。地下 2 層，裙樓 4 層，裙樓上南、北兩塔樓分別高 19 層(72.5m)、25 層(90.5m)。兩塔樓于 17、18、19 層連體（結(jié)構(gòu)上為兩塔樓分別懸挑梁處理）。
1. 結(jié)構(gòu)承重體系設(shè)計(jì)
根據(jù)國家抗震區(qū)劃圖, 待設(shè)計(jì)建筑地區(qū)的基本烈度為七度,相應(yīng)地主樓結(jié)構(gòu)部分的抗震等級(jí)為二級(jí), 裙樓部分的抗震等級(jí)為三級(jí)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中裙房部分主要考慮由恒載及使用活荷載等豎向荷載引起的荷載效應(yīng), 主樓部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅考慮豎向荷載效應(yīng), 還要考慮水平地震作用及風(fēng)荷載作用下產(chǎn)生的荷載效應(yīng)的組合。綜合考慮裙樓部分大空間的設(shè)計(jì)使用要求以及主樓部分的抗側(cè)移設(shè)計(jì)要求, 裙房結(jié)構(gòu)承重體系采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)形式,主樓采用框架- 剪力墻承重結(jié)構(gòu)體系。本建筑結(jié)構(gòu)在主樓抗側(cè)力構(gòu)件設(shè)計(jì)中, 剪力墻主要承擔(dān)水平作用,框架承擔(dān)少部分水平荷載作用和大部分豎向荷載作用。主樓平面形狀基本上為正方形,因樓梯、電梯間均設(shè)置在核心筒內(nèi),為提高主樓結(jié)構(gòu)的抗扭能力,剪力墻結(jié)合樓電梯間在主樓范圍內(nèi)采取了加強(qiáng)處理, 具體厚度根據(jù)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的變形限值,由剛度、承載力和延性三者間的最佳匹配決定。
2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)策略
鋼筋混凝土框架- 剪力墻結(jié)構(gòu)是高層建筑結(jié)構(gòu)中最常采用的承載體系之一,它同時(shí)具有框架結(jié)構(gòu)建筑平面布置靈活,能獲得大空間,建筑立面易于處理,以及剪力墻結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度大、整體性好、抗震能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。在水平荷載作用下,具有較純框架和純剪力墻結(jié)構(gòu)更為有利的水平變形曲線。但鋼筋混凝土框- 剪結(jié)構(gòu)是一個(gè)具有雙重承載體系的非常復(fù)雜的空間受力體系,力學(xué)分析難度較大,其優(yōu)化設(shè)計(jì)就更為復(fù)雜和難以實(shí)現(xiàn)。所以,筆者以下謹(jǐn)通過已有的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)提出步驟性的建議，不作深入的學(xué)術(shù)探討。
2.1 框架結(jié)構(gòu)的分部優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)
鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)屬于具有多個(gè)多余約束的超靜定結(jié)構(gòu),其荷載效應(yīng)不僅與外荷載大小有關(guān), 還與結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料特征、幾何構(gòu)造特征有關(guān)。鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的分部優(yōu)化設(shè)計(jì),即是在結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力分析完成后,根據(jù)梁柱各構(gòu)件的控制內(nèi)力進(jìn)行截面優(yōu)化設(shè)計(jì),確定滿足荷載效應(yīng)水平要求的各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的幾何特征和配筋量的優(yōu)化結(jié)果,由此導(dǎo)致原結(jié)構(gòu)的幾何特征和荷載特征發(fā)生變化, 優(yōu)化結(jié)構(gòu)在現(xiàn)荷載作用下內(nèi)力分布特征發(fā)生變化,各構(gòu)件控制截面上的控制內(nèi)力也發(fā)生相應(yīng)變化,據(jù)此再進(jìn)行新一輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此框架結(jié)構(gòu)的分部優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)際上是一個(gè)迭代、漸進(jìn)的尋優(yōu)過程, 計(jì)算結(jié)果雖不總能等價(jià)于整體優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果,但通常能給出工程實(shí)用的滿意結(jié)果。鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的分部優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的具體步驟為:
（1）初始選型:根據(jù)結(jié)構(gòu)平面、立面布置及建筑物設(shè)計(jì)使用功能,分析結(jié)構(gòu)所受的豎向荷載和水平荷載及其傳力路線,并考慮施工因素,歸并框架梁、柱的類型,初選梁柱的幾何尺寸;
（2）結(jié)構(gòu)分析:按照結(jié)構(gòu)的實(shí)際幾何構(gòu)造特征,計(jì)算結(jié)構(gòu)所受豎向荷載及水平荷載,對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間內(nèi)力分析。根據(jù)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果,將截面尺寸相同的構(gòu)件的控制截面內(nèi)力,根據(jù)其大小進(jìn)行分類,并確定每一類構(gòu)件的設(shè)計(jì)控制內(nèi)力;
（3）截面優(yōu)化設(shè)計(jì):針對(duì)每一種梁柱構(gòu)件的控制內(nèi)力進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì), 得出優(yōu)化約束條件下的結(jié)構(gòu)幾何構(gòu)造特征和配筋特征的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果,從而構(gòu)成新的優(yōu)化意義上的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu);
（4）收斂性判斷:在工程精度意義上選取一個(gè)較小的數(shù)值,作為檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)收斂性的條件,進(jìn)行收斂性判斷。若優(yōu)化結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)基本一致,則認(rèn)為優(yōu)化結(jié)構(gòu)是收斂的,可以轉(zhuǎn)入下一步的可行性判斷,否則轉(zhuǎn)回第②步重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì);
2.2 框- 剪結(jié)構(gòu)的三階段優(yōu)化設(shè)計(jì)策略
框- 剪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要涉及 3 個(gè)方面的優(yōu)化問題:①結(jié)構(gòu)最優(yōu)設(shè)防水平的決策,②框架與剪力墻結(jié)構(gòu)協(xié)同工作,以及承載力、剛度與延性變形能力間的最佳匹配設(shè)計(jì),③框架- 剪力墻結(jié)構(gòu)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。
高層框- 剪結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的協(xié)同工作問題,主要是水平荷載在框架和剪力墻結(jié)構(gòu)之間的分配設(shè)計(jì), 因此剪力墻數(shù)量和位置的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵問題。這里,我們將框- 剪結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程分為三個(gè)階段進(jìn)行,對(duì)不同階段的不同問題,采取不同的優(yōu)化準(zhǔn)則進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
2.2.1 第一階段:最優(yōu)設(shè)防水平 Id的優(yōu)化決策
根據(jù)地震危險(xiǎn)性分析結(jié)果或地震區(qū)劃規(guī)定, 在預(yù)測地震烈度概率分析基礎(chǔ)上, 用模糊綜合評(píng)判法計(jì)算結(jié)構(gòu)的模糊延性向量和模糊抗震強(qiáng)度、損傷等級(jí)概率和震害損失的預(yù)估期望值 E(Id),在滿足最大投資約束和最大損失約束條件下,使 k1C(Id)+k2k3E(Id)達(dá)到最小,求出最優(yōu)抗震設(shè)防烈度 Id。
2.2.2 第二階段:剪力墻構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)
剪力墻結(jié)構(gòu)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是結(jié)構(gòu)剛度與延性指標(biāo)的最佳組合,可用力學(xué)準(zhǔn)則進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)構(gòu)剛度對(duì)結(jié)構(gòu)的影響主要為結(jié)構(gòu)的自振周期和側(cè)向位移, 結(jié)構(gòu)延性對(duì)結(jié)構(gòu)的影響主要為保持承載力前提下的變形能力。因此,可用結(jié)構(gòu)整體的側(cè)向位移量來協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)的剛度和延性。我們根據(jù)高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)層間位移和頂點(diǎn)總側(cè)移的限值來控制結(jié)構(gòu)的剛度設(shè)計(jì)和延性設(shè)計(jì)。
2.2.3 第三階段:框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)
框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是一個(gè)結(jié)構(gòu)準(zhǔn)則, 在一次整體分析完成之后,可按照前述方法對(duì)框- 剪結(jié)構(gòu)中的框架部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
四、結(jié)語
總而言之，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法多種多樣，但是不論使用哪一種方法都要建立在施工的可行性的基礎(chǔ)之上，施工技術(shù)必須嚴(yán)格依照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，如果出現(xiàn)施工不可行的情況下，重新審視設(shè)計(jì)規(guī)范。高層建筑混凝土施工技術(shù)是科學(xué)元素和技術(shù)元素的融合和應(yīng)用，它的實(shí)現(xiàn)過程必然需要建筑施工各環(huán)節(jié)基礎(chǔ)技術(shù)的支持和管理理論的強(qiáng)化。所以，設(shè)計(jì)與施工的相輔相成才是實(shí)現(xiàn)合理、科學(xué)節(jié)約成本的有效措施。
參考文獻(xiàn)
[1] 孫 凱.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問題及對(duì)策探討[J].價(jià)值工程，2011（06）.
關(guān)鍵字：高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化
1 工程概況
某高層建筑設(shè)計(jì)使用功能要求集展銷、外貿(mào)、餐飲、辦公、居住和旅游于一體．屬綜合性公共建筑。主樓占地面積9483m2,總建筑面積19737m2，主樓高73．6m，地面以上19層、地下1層，主樓建筑面積為12091m2；裙樓高3層。建筑面積為7646m2。建筑平面如圖l所示。
1.1 結(jié)構(gòu)承重體系設(shè)計(jì)
綜合考慮裙樓部分大空間的設(shè)計(jì)使用要求以及主樓部分的抗側(cè)移設(shè)計(jì)要求。裙房結(jié)構(gòu)承重體系采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)形式，主樓采用框架―剪力墻承重結(jié)構(gòu)體系。
本建筑結(jié)構(gòu)在主樓抗側(cè)力構(gòu)件設(shè)計(jì)中 剪力墻主要承擔(dān)水平作用，框架承擔(dān)少部分水平荷載作用和大部分豎向荷載作用。主樓平面形狀基本上為正方形 樓梯均設(shè)置在角部位置，為提高主樓結(jié)構(gòu)的抗扭能力，剪力墻結(jié)合樓電梯間設(shè)在主樓結(jié)構(gòu)的兩個(gè)對(duì)角位置，具體厚度根據(jù)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的變形限值，由剛度、承載力和延性三者間的最佳匹配決定。
1.2 建筑縫的處理設(shè)計(jì)
本建筑由主樓和裙房兩部分組成。在二者的連接部位需設(shè)置建筑縫?？紤]到主樓部分高度較大、結(jié)構(gòu)有效重量大，裙房部分高度較低．因此二者問需設(shè)置防震縫和沉降縫。對(duì)于防震縫。為避免書樓和裙房間連接部位留出較大的寬縫，給裙房屋頂防水處理帶來困難．本建筑采用“抗”的方法 在結(jié)構(gòu)分析時(shí)．將主樓和裙房視為一個(gè)整體進(jìn)行抗側(cè)力設(shè)計(jì)計(jì)算：對(duì)于沉降縫，結(jié)合主樓需設(shè)一層地下室的建筑要求，設(shè)計(jì)中將主樓基礎(chǔ)設(shè)計(jì)成樁基礎(chǔ)。而將裙房基礎(chǔ)設(shè)計(jì)成柱下條形基礎(chǔ)，通過兩類基礎(chǔ)的沉降變形計(jì)算，相應(yīng)調(diào)整和消除主樓和裙房兩部分的不均勻沉降差。施工時(shí)，在主樓和裙房連接部位預(yù)留1.5m寬后澆帶。通過施工手段局部調(diào)整高低兩部分間的沉降差。
1.3 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)
根據(jù)《工程地質(zhì)勘察報(bào)告》提供的場地工程地質(zhì)條件。并考慮主樓和裙房間荷載分布的不均勻性特點(diǎn),主樓部分結(jié)合地下室的設(shè)計(jì)采用深樁筏板基礎(chǔ)．以提高主樓結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。降低主樓部分的沉降變形。
裙房部分采用柱下條形基礎(chǔ) 通過修工條形基礎(chǔ)的寬度來調(diào)整基底反力．進(jìn)一步控制裙房部分的基礎(chǔ)沉降變形。使主樓結(jié)構(gòu)和裙房結(jié)構(gòu)在各自使用荷載作用下,能產(chǎn)生基本上一致的基礎(chǔ)沉降變形量。
2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)策略
鋼筋混凝土框架―剪力墻結(jié)構(gòu)是高層建筑結(jié)構(gòu)中最常采用的承載體系之一，它同時(shí)具有框架結(jié)構(gòu)建筑平面布置靈活。能獲得大空間，建筑立面易于處理，以及剪力墻結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度人、整體性好、抗震能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。在水平荷載作用下，具有較純框架和純剪力墻結(jié)構(gòu)更為有利的水平變形曲線。但鋼筋混凝土框―剪結(jié)構(gòu)是一個(gè)具有雙重承載體系的非常復(fù)雜的空間受力體系，力學(xué)分析難度較大．其優(yōu)化設(shè)計(jì)就更為復(fù)雜和難以實(shí)現(xiàn)。所以，盡管國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此做過許多有益的嘗試．但框―剪結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)還存在很多具有重大工程意義和科學(xué)意義的課題。2.1 框架結(jié)構(gòu)的分部優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)
鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)屬于具有多個(gè)多余約束的超靜定結(jié)構(gòu)，其荷載效應(yīng)不僅與外荷載大小有關(guān)。還與結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料特征、幾何構(gòu)造特征有關(guān)。鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的分部優(yōu)化設(shè)計(jì)。即是在結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力分析完成后，根據(jù)梁柱各構(gòu)件的控制內(nèi)力進(jìn)行截面優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定滿足荷載效應(yīng)水平要求的各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的幾何特征和配筋量的優(yōu)化結(jié)果，由此導(dǎo)致原結(jié)構(gòu)的幾何特征和荷載特征發(fā)生變化。優(yōu)化結(jié)構(gòu)在現(xiàn)荷載作用下內(nèi)力分布特征發(fā)生變化。各構(gòu)件控制截面上的控制內(nèi)力也發(fā)生相應(yīng)變化。據(jù)此再進(jìn)行新一輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此框架結(jié)構(gòu)的分郜優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)際上是一個(gè)迭代、漸進(jìn)的尋優(yōu)過程，計(jì)算結(jié)果雖不總能等價(jià)于整體優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果．但通常能給出工程實(shí)用的滿意結(jié)果。
鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的分部優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的具體步驟為：
(1)初始選型：根據(jù)結(jié)構(gòu)平面、立面布置及建筑物設(shè)計(jì)使用功能，分析結(jié)構(gòu)所受的豎向荷載和水平荷載及其傳力路線，并考慮施工因素，歸并框架梁、柱的類型，初選梁柱的幾何尺寸；
(2)結(jié)構(gòu)分析：按照結(jié)構(gòu)的實(shí)際幾何構(gòu)造特征，計(jì)算結(jié)構(gòu)所受豎向荷載及水平荷載，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間內(nèi)力分析。根據(jù)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，將截面尺寸相同的構(gòu)件的控制截面內(nèi)力，根據(jù)其大小進(jìn)行分類，并確定每一類構(gòu)件的設(shè)計(jì)控制內(nèi)力；
(3)截面優(yōu)化設(shè)計(jì)：針對(duì)每一種梁柱構(gòu)件的控制內(nèi)力進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。得出優(yōu)化約束條件下的結(jié)構(gòu)幾何構(gòu)造特征和配筋特征的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，從而構(gòu)成新的優(yōu)化意義上的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)；
(4)收斂性判斷：在工程精度意義上選取一個(gè)較小的數(shù)值，作為檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)收斂性的條件，進(jìn)行收斂性判斷。若優(yōu)化結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)基本一致，則認(rèn)為優(yōu)化結(jié)構(gòu)是收斂的?？梢赞D(zhuǎn)入下一步的可行性判斷，否則轉(zhuǎn)回第(2)步重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)；
(5)可行性判斷：對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行一次內(nèi)力分析，檢驗(yàn)其可用性。若整體分析能夠滿足工程設(shè)計(jì)要求，則可按此方案進(jìn)行配筋和構(gòu)造處理，作為最終的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。否則需根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析結(jié)果進(jìn)行局部調(diào)整，直到方案可用為止。
2.2框―剪結(jié)構(gòu)的三階段優(yōu)化設(shè)計(jì)策略
框―剪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要涉及三個(gè)方面的優(yōu)化問題：① 結(jié)構(gòu)最優(yōu)設(shè)防水平的決策；②框架與剪力墻結(jié)構(gòu)協(xié)同工作，以及承載力、剛度與延性變形能力間的最佳匹配設(shè)計(jì)；③ 框架―剪力墻結(jié)構(gòu)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。
2.2.1第一階段：最優(yōu)設(shè)防水平I 的優(yōu)化決策
根據(jù)地震危險(xiǎn)性分析結(jié)果或地震區(qū)劃規(guī)定，在預(yù)測地震烈度概率分析基礎(chǔ)上，用模糊綜合評(píng)判法計(jì)算結(jié)構(gòu)的模糊延性向量和模糊抗震強(qiáng)度、損傷等級(jí)概率和震害損失的預(yù)估期望值E(Id)，在滿足最大投資約束和最大損失約束條件下，使k1C(Id)+K2K3E(Id)達(dá)到最小，求出最優(yōu)抗震設(shè)防烈度Id。
2.2.2 第二階段：剪力墻構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)
剪力墻結(jié)構(gòu)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是結(jié)構(gòu)剛度與延性指標(biāo)的最佳組合,可用力學(xué)準(zhǔn)則進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)構(gòu)剛度對(duì)結(jié)構(gòu)的影響主要為結(jié)構(gòu)的自振周期和側(cè)向位移,結(jié)構(gòu)延性對(duì)結(jié)構(gòu)的影響主要為保持承載力前提下的變形能力。因此，可用結(jié)構(gòu)整體的側(cè)向位移量來協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)的剛度和延性。我們根據(jù)高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)層問位移和頂點(diǎn)總側(cè)移的限值來控制結(jié)構(gòu)的剛度設(shè)計(jì)和延性設(shè)計(jì)。
2.2.3 第三階段：框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化
設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是一個(gè)結(jié)構(gòu)準(zhǔn)則,在一次整體分析完成之后，可按照前述方法對(duì)框―剪結(jié)構(gòu)中的框架部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
2.2.4 框―剪結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟
(1)分析結(jié)構(gòu)平面、立面布置特點(diǎn)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)選定剪力墻抗側(cè)力構(gòu)件的布置位置及幾何厚度；
(2)根據(jù)結(jié)構(gòu)使用荷載特點(diǎn)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)歸并框架結(jié)構(gòu)類型，并初步選定每一類型框架結(jié)構(gòu)梁柱構(gòu)件的幾何尺寸；
(3)進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的空間內(nèi)力分析；
(4)根據(jù)結(jié)構(gòu)分析計(jì)算結(jié)果。檢查結(jié)構(gòu)的層間位移及頂點(diǎn)總位移是否滿足規(guī)范要求。若滿足規(guī)范要求，則轉(zhuǎn)入第5步進(jìn)行判斷：若不滿足規(guī)范要求．則直接返回第1步，進(jìn)行剪力墻水平截面面積的修正；
(5)剛度最優(yōu)化判斷：比較結(jié)構(gòu)實(shí)際側(cè)移值和規(guī)范限值，若｜且，則轉(zhuǎn)入第6步進(jìn)行計(jì)算；否則轉(zhuǎn)入第1步，并用原剪力墻厚度乘以修正系數(shù)，來修正剪力墻幾何尺寸，重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析；
(6)分別進(jìn)行剪力墻和框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面優(yōu)化設(shè)計(jì)；
(7)收斂性判斷：比較優(yōu)化結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)的接近程度，若優(yōu)化結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)基本一致，則認(rèn)為優(yōu)化結(jié)構(gòu)是收斂的，可以轉(zhuǎn)入下一步進(jìn)行可行性判斷。否則將優(yōu)化結(jié)構(gòu)作為原結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)回第3步重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)；
(8)可行性判斷：對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行一次內(nèi)力分析，檢驗(yàn)其可用性。若整體分析能夠滿足工程設(shè)計(jì)要求，則可按此方案進(jìn)行配筋和構(gòu)造處理．作為最終的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。否則需根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析結(jié)果進(jìn)行局部調(diào)整。直到方案可用為止。
關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)
近幾年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國高層建筑技術(shù)取得飛躍性發(fā)展，高層建筑在城市建設(shè)中被廣泛采用。高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法是否準(zhǔn)確、合理，直接影響到建筑的安全性、適用性、耐久性及經(jīng)濟(jì)性。因此，對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化尤為必要。
1.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)
1.1水平荷載因素
其一，樓房本身的重量和其樓面使用的荷載在豎構(gòu)件中所引起的軸力、彎矩的數(shù)值與樓房的高度成一次方的正比，而水平荷載對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的傾覆力矩，以及由此在豎構(gòu)件中引起的軸力，是與樓房高度的兩次方成正比；其二，當(dāng)樓房的高度一定時(shí)，豎向的荷載大體上是一固定的數(shù)值，但是，在水平方向上的荷載。就風(fēng)荷載和地震荷載，對(duì)某一定高度樓房來說，豎向荷載大體上是定值，而作為水平荷載的風(fēng)荷載和地震作用，其數(shù)值是隨結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的不同而有較大幅度的變化。
1.2軸向變形因素
高層建筑中，豎向荷載數(shù)值很大，能夠在柱中引起較大的軸向變形，從而會(huì)對(duì)連續(xù)梁彎矩產(chǎn)生影響，造成連續(xù)梁中間支座處的負(fù)彎矩值減小，跨中正彎矩之和端支座負(fù)彎矩值增大，并且從縱向觀察，沿著其高度發(fā)生的縱向變形很厲害，同時(shí)中部構(gòu)件與邊部構(gòu)件及其角部構(gòu)件的變形存在很大的不同，這對(duì)于其結(jié)構(gòu)內(nèi)力的分配具有很大的影響，因此，對(duì)于構(gòu)件中的軸向變形影響必須加以慎重的分析。
1.3側(cè)移控制指標(biāo)因素
高層建筑不同于低層建筑，在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為其最主要因素，水平荷載下結(jié)構(gòu)的側(cè)移變形會(huì)受到樓層高度的影響，水平荷載下結(jié)構(gòu)的側(cè)移變形迅速增大，樓層越高，其變形越大，因而結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的側(cè)移應(yīng)被控制在某一限度之內(nèi)。與較低樓房不同，結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為高樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素。
1.4結(jié)構(gòu)延性因素
相對(duì)于較低樓房而言，高樓結(jié)構(gòu)更柔一些，地震作用下的變形也會(huì)相應(yīng)較大。為了使結(jié)構(gòu)在進(jìn)入塑性變形階段后仍具有較強(qiáng)的變形能力，避免其發(fā)生倒塌，特別需要在構(gòu)造上采取恰當(dāng)?shù)拇胧瑏肀ＷC結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。
2.高層建筑結(jié)構(gòu)分析
2.1結(jié)構(gòu)分析的基本假定
彈性假定。目前工程上實(shí)用的高層建筑結(jié)構(gòu)分析方法均采用彈性的計(jì)算方法，在垂直荷載或一般風(fēng)力作用下，結(jié)構(gòu)通常處于彈性工作階段，這一假定基本符合結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀況，但是在遭受地震或強(qiáng)臺(tái)風(fēng)作用時(shí)，往往會(huì)產(chǎn)生較大的位移，進(jìn)入到彈塑性工作階段，此時(shí)仍按彈性方法計(jì)算內(nèi)力和位移時(shí)不能反映結(jié)構(gòu)的真實(shí)工作狀態(tài)的，應(yīng)按彈塑性動(dòng)力分析方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。
剛性樓板假定。大部分高層建筑結(jié)構(gòu)的分析方法均將平面外的剛度忽略不計(jì)，而對(duì)于樓板在自身平面內(nèi)的剛度則假定無限度的大。對(duì)于框架體系和剪力墻體系來講，他們通常采用這一假定，并且這樣的做法也是完全可以的，但是，當(dāng)遇到結(jié)構(gòu)的豎向剛度有突然性的變化，樓板的剛度比較小，并且抗側(cè)力構(gòu)件之間的距離過于大，樓層的層數(shù)比較少等情況時(shí)，樓板的形形就會(huì)受到很大的影響甚至發(fā)生強(qiáng)烈的變形。尤其是結(jié)構(gòu)的底部和頂部，它們各層的內(nèi)力和位移都會(huì)受到很大的影響，可以通過調(diào)整剪力來解決這一問題。
計(jì)算圖形的假定。高層建筑結(jié)構(gòu)體系整體分析采用的計(jì)算圖形有三種：1）一維協(xié)同分析；2）二維協(xié)同分析；3 三維空間分析；三維空間分析的普通桿單元每一節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度，按符拉索夫薄壁桿理論分析的桿端節(jié)點(diǎn)還應(yīng)考慮截面翹曲，有7個(gè)自由度。
2.2結(jié)構(gòu)靜力分析方法
筒體結(jié)構(gòu)。其分析方法按照對(duì)計(jì)算模型處理手法的不同可分為三類：等效連續(xù)化方法、等效離散化方法和三維空間分析。等效連續(xù)化方法是將結(jié)構(gòu)中的離散桿件作等效連續(xù)化處理。一種是只作幾何分布上的連續(xù)化，以便用連續(xù)函數(shù)描述其內(nèi)力；另一種是作幾何和物理上的連續(xù)處理，將離散桿件代換為等效的正交異性彈性薄板，以便應(yīng)用分析彈性薄板的各種有效方法。等效離散化方法是將連續(xù)的墻體離散為等效的桿件，以便應(yīng)用適合桿系結(jié)構(gòu)的方法來分析，這一類方法包括核心筒的框架分析法和平面框架子結(jié)構(gòu)法等。等效連續(xù)化和等效離散化更為精確的計(jì)算模型是完全按三維空間結(jié)構(gòu)來分析筒體結(jié)構(gòu)體系，其中應(yīng)用最廣的是空間桿、薄壁桿系矩陣位移法，這是目前工程上采用最多的計(jì)算模型。
框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)內(nèi)力與位移計(jì)算的方法很多，由于采用的未知量和考慮因素的不同，各種方法解答的具體形式亦不相同，框架、剪力墻的機(jī)算方法，通常是將結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為等效壁式框架，采用桿系結(jié)構(gòu)矩陣位移法求解。
剪力墻結(jié)構(gòu)。剪力墻的受力特性與變形狀態(tài)主要取決于剪力墻的開洞情況。不同類型的剪力墻，其截面應(yīng)力分布也不同，計(jì)算內(nèi)力與位移時(shí)需采用相應(yīng)的計(jì)算方法、剪力墻結(jié)構(gòu)的機(jī)算方法是平面有限單元法，此法較為精確，而且對(duì)各類剪力墻都能適用，但因其自由度較多，機(jī)時(shí)耗費(fèi)較大，目前一般只用于特殊開洞墻、框支墻的過渡層等應(yīng)力分布復(fù)雜的情況。
3.高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
結(jié)構(gòu)平面布置。在考慮抗震設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)的平面布置、體型及構(gòu)造措施是否合理比計(jì)算是否精確更直接影響結(jié)構(gòu)安全。在高層建筑的一個(gè)獨(dú)立單元內(nèi)，宜使結(jié)構(gòu)平面形狀簡單、規(guī)則，剛度和承載力分布均勻、對(duì)稱，要使結(jié)構(gòu)的剛度中心和質(zhì)量中心盡量重合，以減少水平荷載作用下扭轉(zhuǎn)的影響。建筑平面長度不宜過長，否則可能因兩端振動(dòng)不一致使建筑物破壞。不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的平面設(shè)計(jì)。對(duì)平面形狀的要求，所以《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2002）對(duì)抗震設(shè)計(jì)的A級(jí)高度鋼筋混凝土高層建筑的平面布置提出如下具體要求：平面宜簡單、規(guī)則、對(duì)稱，減小偏心；平面長度不宜過長，突出部分長度L不宜過大；不宜采用角部重疊的平面圖形或細(xì)腰形平面圖形。抗震設(shè)計(jì)的B級(jí)高度鋼筋混凝土高層建筑，混合結(jié)構(gòu)的高層建筑其平面布置應(yīng)簡單、規(guī)則，減少偏心。
結(jié)構(gòu)豎向布置。結(jié)構(gòu)豎向設(shè)計(jì)應(yīng)做到剛度均勻而連續(xù)，避免由于剛度突變而形成薄弱層，在地震區(qū)高層建筑的立面宜采用矩形、梯形、金字塔形等均勻變化的幾何形狀。高層建筑結(jié)構(gòu)的豎向抗側(cè)移剛度的分布宜從下而上逐漸減小，不宜突變。在實(shí)際工程中往往沿豎向分段改變構(gòu)件截面尺寸和混凝土強(qiáng)度等級(jí)。截面尺寸的減小與混凝土強(qiáng)度等級(jí)的降低應(yīng)在不同樓層，改變次數(shù)也不宜太多。《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2002）對(duì)需要抗震設(shè)防的高層建筑，要求沿豎向體型應(yīng)規(guī)則、均勻，避免有過大的外挑和內(nèi)收，結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度宜下大上小，逐漸均勻變化，不應(yīng)采用豎向設(shè)計(jì)嚴(yán)重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)。
結(jié)束語
總而言之，我國建筑發(fā)展至現(xiàn)在的高層和超高層，經(jīng)歷了諸多的演變，這期間研究建筑力學(xué)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)逐漸向深層次、擴(kuò)學(xué)科的方向前進(jìn)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建筑也會(huì)產(chǎn)生更加復(fù)雜、多元的建筑需求，這就要求建筑設(shè)計(jì)時(shí)在滿足建筑使用需求的基礎(chǔ)上精益求精的對(duì)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，創(chuàng)造建筑多變形式的力學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。
參考文獻(xiàn)：
關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；設(shè)計(jì)；分析
中圖分類號(hào)：TU208文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
引言
隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，加上科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國高層建筑行業(yè)取得了重大的突破。越來越多的高層建筑對(duì)我們的設(shè)計(jì)提出了新的課題，節(jié)約成本降低造價(jià)成為開發(fā)商必談的話題，因此結(jié)構(gòu)優(yōu)化成為我們?cè)O(shè)計(jì)師面臨的新課題，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，不僅僅影響到高層建筑安全性，而且還直接影響到高層建筑的工程造價(jià)。本文主要研究高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，探討高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題與策略，為設(shè)計(jì)單位在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的進(jìn)一步開展提供借鑒。
1、高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則
1.1、確定合理基礎(chǔ)方案
針對(duì)高層建筑而言，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，主要根據(jù)高層建筑的地質(zhì)條件決定，確定合理、科學(xué)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員必須掌握高層建筑的荷載分布、選擇正確的結(jié)構(gòu)類型，確定具體施工方案，對(duì)建筑工程的各類條件進(jìn)行綜合分析后，方可確定合理基礎(chǔ)方案。
1.2、確定合理計(jì)算模型
針對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)而言，計(jì)算模型應(yīng)傳力明確，抗震體系合理，若計(jì)算模型不合理，極易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，進(jìn)而導(dǎo)致一些不必要的安全問題。所以，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須在滿足安全基礎(chǔ)上，確定合理計(jì)算模型。
1.3、確定合理計(jì)算工具
隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中被廣泛運(yùn)用，信息技術(shù)為高層建筑設(shè)計(jì)提供越來越多不可估量的作用，各種計(jì)算軟件層出不窮。所以，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員，必須全面掌握計(jì)算軟件優(yōu)缺點(diǎn)，熟悉使用條件、使用范圍，確定合理的計(jì)算工具。
1.4、確定合理的構(gòu)造措施
針對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)而言，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足符合“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)壓弱拉”的設(shè)計(jì)原則，確保薄弱部位的強(qiáng)硬，合理確定鋼筋錨固長度，提高構(gòu)建延性性能。
2、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制因素
2.1、風(fēng)荷載
高層建筑和超高層建筑的設(shè)計(jì)中，對(duì)風(fēng)荷載的嚴(yán)格控制是至關(guān)重要的，特別是對(duì)于超高層建筑。例如：高度超過百米的高層建筑，風(fēng)荷載的設(shè)計(jì)除了按照當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)規(guī)定外，還必須由專業(yè)的風(fēng)洞試驗(yàn)室進(jìn)行風(fēng)荷載的試驗(yàn)研究，以探求該高層建筑準(zhǔn)確的受力狀況。
2.2、地震力
目前，地震區(qū)的建筑設(shè)計(jì)與施工都必須考慮地震力的影響，正確選擇高層建筑的抗震等級(jí)，合理的采用構(gòu)造措施，對(duì)于高層和超高層建筑來說非常重要。
2.3、地基基礎(chǔ)
地基是高層建筑設(shè)計(jì)首先要解決的問題，地基的天然條件決定了高層建筑運(yùn)用何種方式進(jìn)行地基處理。例如，山東菏澤屬于中軟弱地基，地基條件較差，在小高層建筑中多數(shù)采用復(fù)合地基，高層建筑多數(shù)采用樁基；而新加坡來福士城的高樓群，則由于地下地質(zhì)條件好，在進(jìn)行地基設(shè)計(jì)時(shí)采用了筏性基礎(chǔ)。以上實(shí)例都是地基單一設(shè)計(jì)型的案例，但是在很多時(shí)候，需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡鼗鶙l件采用不同的基礎(chǔ)方案，把這些基礎(chǔ)方案進(jìn)行比較和結(jié)合，選擇一個(gè)安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的組合方案運(yùn)用到地基建設(shè)中。
3、高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化探討
3.1、將概念設(shè)計(jì)和細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化
所謂概念設(shè)計(jì)實(shí)際上也就是指一些沒有具體的數(shù)值來進(jìn)行量化的指標(biāo)，包括地震裂度以及其本身的不確定性等，因此在進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算的時(shí)候難免會(huì)和現(xiàn)實(shí)產(chǎn)生較大的差別，正是在這樣一種背景下我們才需要在對(duì)這樣一種指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)和確定時(shí)選擇使用概念設(shè)計(jì)的方法，將數(shù)值僅僅只是作為輔助或者是參考的依據(jù)來進(jìn)行。在這樣一種設(shè)計(jì)的過程當(dāng)中更為強(qiáng)調(diào)的就是設(shè)計(jì)人員本身的靈活性以及應(yīng)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的能力，這樣良好的結(jié)合才能夠真正實(shí)現(xiàn)效果上的最優(yōu)化。因?yàn)榧?xì)節(jié)是構(gòu)成整體的單位，所以對(duì)各種設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的嚴(yán)格管理，也就可以實(shí)現(xiàn)整體的功能的有效發(fā)揮，因此，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的施工過程中，應(yīng)該重視對(duì)建筑細(xì)節(jié)的處理。
3.2、將抗震構(gòu)造以及框架梁設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化
為了進(jìn)一步提高城市高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性以及穩(wěn)定性，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單位在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面做出了重大的努力，取得了重大的突破，高層建筑結(jié)構(gòu)安全性以及穩(wěn)定性水平得到進(jìn)一步提升。但是由于我國的建筑物抗震標(biāo)準(zhǔn)較低，在抗震與構(gòu)造方面，很難處理好結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與抗震烈度之間的關(guān)系。為此，在實(shí)際的高層建筑抗震與構(gòu)造設(shè)計(jì)中，抗震與構(gòu)造設(shè)計(jì)需要有一定的彈性，這樣才可以滿足高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全性以及穩(wěn)定性要求。舉例來講，中震烈度的重現(xiàn)期是475年，被超越率是10%;大震的重現(xiàn)期約為2000年，被超越率是2%。我國建筑構(gòu)造規(guī)定的安全度及抗震計(jì)算方法也相對(duì)較低，且在軸壓比、配筋率以及梁柱承載力匹配程度等抗震延性的相關(guān)規(guī)定也不夠嚴(yán)格。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造價(jià)在建筑整體投資之中比例的減少也應(yīng)給予重視，尤其是在高烈度區(qū)域應(yīng)有嚴(yán)格的抗震方法以及構(gòu)造措施來保證建筑物結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性。另一方面，在實(shí)際的高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中還需要進(jìn)一步解決與框架柱和剪力墻相連的框架梁設(shè)計(jì)問題。就高層建筑結(jié)構(gòu)的截面設(shè)計(jì)而言，豎向變形差過大通常會(huì)導(dǎo)致與框架柱和剪力墻相連的框架梁出現(xiàn)超筋現(xiàn)象，進(jìn)而影響到框架梁截面設(shè)計(jì)。
框架梁端部豎向變形差所引起的剪力和固端彎矩的計(jì)算函數(shù)式如下:
其中，MAB/MBA為框架梁固端彎矩;QAB/QBA為框架梁端剪力;Δ為框架梁端部豎向變形差;Ib為框架梁截面慣性矩;I為框架梁計(jì)算長度。
3.3、對(duì)建筑結(jié)構(gòu)中抗側(cè)力體系進(jìn)行優(yōu)化
現(xiàn)代高層以及超高層建筑的安全性可靠性保證通常會(huì)受到結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力體系影響，合理的抗側(cè)力體系能夠保證其安全性。因此在對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力系統(tǒng)選擇時(shí)應(yīng)當(dāng)注意：
3.3.1、建筑的高度是結(jié)構(gòu)體系選擇的主要影響因素，通過結(jié)合實(shí)踐可以總結(jié)如下規(guī)律：對(duì)于建筑高度同結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力體系選擇，當(dāng)建筑物高度小于100米時(shí)，通常采用框架結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)作為抗側(cè)力體系；當(dāng)建筑物高于100米低于200米時(shí)，通常采用剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-核心筒結(jié)構(gòu)作為抗側(cè)力體系；而當(dāng)建筑物高度在200-300米之間時(shí)，通常采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)、框架-核心筒-伸臂結(jié)構(gòu)作為建筑物的抗側(cè)力體系；建筑物高度在300米-400米之間時(shí)，框架-核心筒-伸臂結(jié)構(gòu)以及筒中筒結(jié)構(gòu)是常見的抗側(cè)力體系；而建筑高度高于400米低于600米時(shí)常用的結(jié)構(gòu)抗側(cè)力系統(tǒng)為，筒中筒-伸臂結(jié)構(gòu)，巨型框架/桁架/斜撐結(jié)構(gòu)、組合體結(jié)構(gòu)。
3.3.2、在建筑的設(shè)計(jì)上，應(yīng)盡可能地確保結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件相互聯(lián)結(jié)、組合為一個(gè)整體。
3.3.3、對(duì)于建筑中采用了多重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系的具體實(shí)際情況時(shí)，應(yīng)綜合分析每種結(jié)構(gòu)體系在建筑設(shè)計(jì)中的效用，對(duì)各自的貢獻(xiàn)度有合理的估計(jì)和評(píng)判。
4、結(jié)語
建筑是凝固的藝術(shù)，建筑師總是希望通過建筑物表達(dá)自己的設(shè)計(jì)意圖，力求藝術(shù)性和實(shí)用性的完美結(jié)合。結(jié)構(gòu)師在保證安全性的前提下，當(dāng)然應(yīng)該敢于挑戰(zhàn)新的結(jié)構(gòu)形式，使建筑師的意圖得以實(shí)現(xiàn)。在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，在基本滿足建筑師設(shè)計(jì)意圖的基礎(chǔ)上，平面布置應(yīng)盡量規(guī)則，對(duì)稱，盡量縮小質(zhì)量中心和剛度中心的差異；使建筑物在水平荷載作用下不致產(chǎn)生太大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。豎向布置上，在滿足功能要求的前提下，盡量使豎向承重構(gòu)件上下貫通；能不使用轉(zhuǎn)換層的就應(yīng)避免使用，以減小結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)上的困難，另外也不經(jīng)濟(jì)，還容易造成應(yīng)力集中；豎向剛度最好不要突變，而要漸變，否則突變處在水平荷載作用下會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，這對(duì)結(jié)構(gòu)抵抗水平動(dòng)力荷載是十分不利的。
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