高層建筑的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

吳飛 王輝

近年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、科學(xué)文化的進(jìn)步，人們對高層建筑的需求越來越大。一般來說，高層建筑造價(jià)較高，但通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以使工程造價(jià)減少5%～30%，所以對高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠直接有效的減少工程造價(jià)，并能使高層建筑結(jié)構(gòu)更加合理，因此，高層建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化已經(jīng)成為人們?nèi)找骊P(guān)心的課題。

1 高層建筑的發(fā)展趨勢

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)。

2)耗能減震技術(shù)的應(yīng)用將得到推廣。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。

3)高層建筑組合結(jié)構(gòu)和新型建筑結(jié)構(gòu)的應(yīng)用將顯著增多。組合結(jié)構(gòu)是采用組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件組合而成的，其中組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件指由兩種不同的材料組合成并能共同工作的整體，采用組合構(gòu)件可以建造比混凝土結(jié)構(gòu)更高的建筑。因?yàn)殇摴軆?nèi)混凝土處于三軸壓力作用下，能提高構(gòu)件的豎向承載力，從而可以節(jié)省鋼材。20世紀(jì)60年代初，筒體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，筒體結(jié)構(gòu)最主要的受力特點(diǎn)是它的空間受力性能，筒體結(jié)構(gòu)比單片結(jié)構(gòu)具有更大的抗側(cè)剛度和承載力，并具抗扭剛度較好的特點(diǎn)，框筒結(jié)構(gòu)將廣泛應(yīng)用于多功能、多用途、多層數(shù)的高層建筑中。

4)智能建筑技術(shù)將得到發(fā)展。智能建筑是通過對建筑物的4個基本要素(結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、服務(wù)、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)，提供一個投資合理又擁有高效率的優(yōu)雅舒適、便利快捷、高度安全的環(huán)境空間，設(shè)備管理自動化系統(tǒng)、通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、辦公自動化系統(tǒng)是智能建筑構(gòu)成所必需的三大系統(tǒng)。智能化建筑在國內(nèi)外都迅速發(fā)展，在高層建筑中有很好的應(yīng)用前景。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論

1)截面(尺寸)優(yōu)化。截面優(yōu)化是對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的最直接和最簡單的方法，此方法是將結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸作為設(shè)計(jì)變量，在優(yōu)化過程中，尺寸優(yōu)化重點(diǎn)放在優(yōu)化算法和靈敏度分析。運(yùn)用這種方法，可以達(dá)到使目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)的目的。

2)形狀優(yōu)化。結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化的方法是將控制結(jié)構(gòu)形狀的某些邊界控制點(diǎn)的幾何信息作為設(shè)計(jì)變量，由這些控制點(diǎn)生成結(jié)構(gòu)的邊界，在優(yōu)化過程中通過設(shè)計(jì)變量來改變結(jié)構(gòu)的邊界，從而調(diào)整結(jié)構(gòu)的邊界形狀或者內(nèi)部幾何形狀，達(dá)到目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)的目的，實(shí)踐表明，結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)是解決高層結(jié)構(gòu)優(yōu)化最有效的方法。

3)拓?fù)鋬?yōu)化。拓?fù)鋬?yōu)化能夠在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的初期給設(shè)計(jì)人員提供概念性設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)在布局上比較合理，拓?fù)鋬?yōu)化的目的在于尋求結(jié)構(gòu)最佳傳力形式，以優(yōu)化結(jié)構(gòu)的性能和結(jié)構(gòu)的重量。

4)布局優(yōu)化。對于布局優(yōu)化這一高度非線性的問題進(jìn)行求解時，由于設(shè)計(jì)空間的維數(shù)很高，常常會遇到收斂問題，所以到目前為止，對布局優(yōu)化還沒有特別有效的方法。

3 高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中存在的問題

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)分主動變量和被動變量，只能求出相對最優(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)高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化只重視結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化而忽視結(jié)構(gòu)整體的優(yōu)化。在實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員都是在已經(jīng)確定結(jié)構(gòu)形狀和材料的情況下進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而結(jié)構(gòu)優(yōu)化只是在滿足約束條件的基礎(chǔ)上對結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，忽視結(jié)構(gòu)整體的優(yōu)化。大量的研究表明，形狀優(yōu)化比尺寸優(yōu)化效果更重要，所以傳統(tǒng)的尺寸優(yōu)化的結(jié)果不具有說服力，因此，在以后的研究工作中，我們要重視形狀優(yōu)化，以達(dá)到更好的效果。

3)對離散變量無法做出準(zhǔn)確的分析。高層建筑尺寸以及型鋼規(guī)格型號等都不是連續(xù)變化的，用許多傳統(tǒng)的優(yōu)化方法是無法計(jì)算的，所以對工程上的離散型變量不能做出精準(zhǔn)的分析，大多數(shù)只能先作為連續(xù)變量處理后再規(guī)整，這樣會導(dǎo)致一定的誤差。

4 高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的部分建議

1)優(yōu)化變量及變量定義域的選取。變量選取是優(yōu)化處理的基本問題，選取何種優(yōu)化模型取決于不同截面變量的選取方法。在準(zhǔn)則法連續(xù)變量的整體優(yōu)化中，截面變量的選擇要在保證與約束對應(yīng)性的基礎(chǔ)上盡量減少變量數(shù)目，因?yàn)樽兞吭蕉鄬?dǎo)致優(yōu)化效率較低，但如果變量不能保證與約束的相對應(yīng)性，搜索方向會出現(xiàn)方向混亂的問題。對于工程中的離散變量無法做出優(yōu)化的問題，其截面尺寸H，B，Tw，Tf是截面的外觀特性，將會直接影響構(gòu)件的尺寸;其截面特性A，I2，I3相當(dāng)于是截面的力學(xué)特性，將會直接影響構(gòu)件的造價(jià)與結(jié)果，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)設(shè)定的離散域?qū)Ω麟x散變量進(jìn)行取值，從而保證實(shí)際工程中的實(shí)用性。此外，可以根據(jù)構(gòu)件不同的受力特點(diǎn)，根據(jù)構(gòu)件的高寬比和截面特性對定義截面進(jìn)行初始值限定，比如梁可以根據(jù)b/h=1/3～1/2，并根據(jù)局部穩(wěn)定性限制生成截面離散尺寸變量;支撐考慮的是拉壓支撐、受壓穩(wěn)定控制以及回轉(zhuǎn)半徑i在兩個方向趨于平衡。

2)約束條件的考慮。在結(jié)構(gòu)整體規(guī)范約束方面，對高層結(jié)構(gòu)截面尺寸定量優(yōu)化的整體約束體現(xiàn)在:水平荷載與地震作用下的最大層間位移與層扭轉(zhuǎn)規(guī)則性兩個方面;在結(jié)構(gòu)局部約束方面，對于鋼管混凝土和鋼構(gòu)件一定要滿足強(qiáng)度、穩(wěn)定性和撓度要求，對于混凝土構(gòu)件、剪力墻墻肢、型鋼混凝土構(gòu)件要滿足截面限制要求、軸壓比約束與最小配筋率要求。

5 結(jié)語

高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化已成為人們?nèi)找骊P(guān)注的課題，今后在設(shè)計(jì)過程中，要根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范重視形狀優(yōu)化、結(jié)構(gòu)整體的優(yōu)化，而不是單純截面尺寸的優(yōu)化;要在考慮約束條件的基礎(chǔ)上根據(jù)設(shè)定的離散域?qū)Ω麟x散變量進(jìn)行取值，并對截面進(jìn)行初始值限定。

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