混凝土建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的對(duì)策分析

方加善

摘要：隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各地興建的高層建筑數(shù)量日益增多，當(dāng)今正是建設(shè)“ 節(jié)約型”社會(huì)的關(guān)鍵時(shí)期，對(duì)于我國(guó)量大面廣的混凝土結(jié)構(gòu)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低工程成本，這個(gè)問(wèn)題越發(fā)受到業(yè)界的關(guān)注和重視。

關(guān)鍵詞：建筑混凝土結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)思路；研究

引言

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在構(gòu)件優(yōu)化方面已經(jīng)進(jìn)行過(guò)很多的研究工作，但到目前為止仍沒(méi)有一個(gè)滿足各種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范條件，符合設(shè)計(jì)人員習(xí)慣，盡可能接近最優(yōu)解，能夠適用于高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的成熟的數(shù)學(xué)模型。盡管如此，但有一個(gè)觀點(diǎn)還是比較明確的，也是大多數(shù)學(xué)者所贊同的，那就是：當(dāng)結(jié)構(gòu)的各個(gè)構(gòu)件的內(nèi)力都達(dá)到最大承載力時(shí)，即可認(rèn)為結(jié)構(gòu)是最優(yōu)的。當(dāng)然，要想各個(gè)構(gòu)件都能如愿的在同一時(shí)間發(fā)揮出所有潛能是很困難的，往往現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)中是不可能辦到的。但是，設(shè)計(jì)者可以以此為目標(biāo)來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)，讓設(shè)計(jì)盡可能的接近最優(yōu)解，從而達(dá)到降低造價(jià)的最終目的。

1.工程實(shí)例

1.1工程概況

某商住樓，剪力墻結(jié)構(gòu)，6度設(shè)防，修正后的基本風(fēng)壓為0.4kN/m2；地下1層，地上32層，嵌固端可取地下室頂板處；地下室層高為3.9m，首層層高為7.1m，2層層高為3.6m，其余各層層高均為2.9m，優(yōu)化前的住宅標(biāo)準(zhǔn)層平面布置圖。

1.2問(wèn)題的提出和優(yōu)化方法

1.2.1一般地，l/Bmax=7100/18900=0.376>0.35，規(guī)則性判斷為平面不規(guī)則類型中的凹凸不規(guī)則，同時(shí)經(jīng)初步計(jì)算，在盡可能加長(zhǎng)墻肢的情況下，即使首層墻厚取400mm，亦無(wú)法滿足側(cè)向剛度比的要求，豎向不規(guī)則類型判斷為側(cè)向剛度不規(guī)則。顯然，該工程已有兩項(xiàng)超出規(guī)則性的要求，需按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010中第3.4.4條的要求進(jìn)行水平地震作用計(jì)算和內(nèi)力調(diào)整，并應(yīng)對(duì)薄弱部位采取有效的抗震構(gòu)造措施。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，若不優(yōu)化平面形狀，盲目采取加強(qiáng)措施，必然會(huì)增加成本造價(jià)。由于在建筑平面的中部增加部分樓板對(duì)建筑功能的使用和立面的影響較小，經(jīng)多方協(xié)商，發(fā)展商同意修改，修改后的平面布置。但對(duì)首層商業(yè)區(qū)降低層高的建議因牽連過(guò)多，最后決定維持不變。

1.2.2分析建筑圖的剪力墻布置，核心筒位置的墻體布置似乎偏多，剛度偏大。經(jīng)建模初算，其部分計(jì)算數(shù)據(jù)如表1所示。由表中數(shù)據(jù)分析可知，結(jié)構(gòu)平面布置中的核心筒處，其剪力墻數(shù)量有消減的余地。適當(dāng)消弱結(jié)構(gòu)中部的剛度，除了對(duì)控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)有利外，還可以降低成本造價(jià)。假設(shè)所有墻厚均為200mm，僅削去核心筒處的部分墻體，就可減少混凝土用量：0.96×（3.9+7.1+3.6+30× 2.9）≈ 124.2m3以及扣除原有墻體內(nèi)的大量鋼筋，其經(jīng)濟(jì)性是十分可觀的。另外，該工程為高層建筑，核心筒以外的其它墻肢，其長(zhǎng)度可每隔5～7層縮短一次，但應(yīng)檢查控制值（如位移比、軸壓比等）是否滿足規(guī)范要求和確保墻肢長(zhǎng)度大于墻厚的8倍，避免墻體演變?yōu)槎讨袅Α?/p>

1.2.3板中受力鋼筋不同強(qiáng)度等級(jí)的使用比較。該工程大部分板塊的板跨都不大，計(jì)算后發(fā)現(xiàn)基本為構(gòu)造配筋，即由最小配筋率控制，而最小配筋率與鋼筋強(qiáng)度等級(jí)直接相關(guān)。該工程標(biāo)準(zhǔn)層的梁板砼強(qiáng)度等級(jí)采用C25，對(duì)比如下：

一級(jí)鋼：ρmin=max{0.2%，0.45ft/fy}

=0.27%

三級(jí)鋼：ρmin=max{0.2%，0.45ft/fy}

=0.20%

2.總結(jié)優(yōu)化方法和途徑

2.1形狀優(yōu)化比尺寸優(yōu)化更有意義在高層建筑的一個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元內(nèi)，宜使結(jié)構(gòu)平面形狀簡(jiǎn)單、規(guī)則，剛度和承載力分布均勻，平面長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng)，突出部分長(zhǎng)度不宜過(guò)大；L、l等值宜滿足要求；高層建筑的豎向體型宜規(guī)則、均勻，避免有過(guò)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)采用豎向布置嚴(yán)重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)。相信大部分的結(jié)構(gòu)工程師都曾遇過(guò)類似情況：當(dāng)一幢高層建筑的結(jié)構(gòu)平面布置和豎向布置簡(jiǎn)單、規(guī)則、均勻，那么其各項(xiàng)指標(biāo)的校核驗(yàn)算會(huì)很容易滿足規(guī)范的要求，反之，則需花一番苦功才能令各項(xiàng)指標(biāo)勉強(qiáng)滿足規(guī)范要求。結(jié)果可能是墻柱截面尺寸大得驚人，單位面積重量嚴(yán)重超標(biāo)，不僅造價(jià)上去了，而且還影響部分建筑功能的使用。筆者認(rèn)為，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員一定要注重概念設(shè)計(jì)，在建筑方案階段就應(yīng)積極介入，運(yùn)用自己的專業(yè)知識(shí)提出建議，在滿足美觀、適用的前提下，盡可能使建筑結(jié)構(gòu)的平面布置和豎向布置簡(jiǎn)單、規(guī)則和均勻。這樣一來(lái)，結(jié)構(gòu)體系就會(huì)具有合理的剛度和承載力分布，避免因局部削弱或突變形成薄弱部位，產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力集中或塑性變形集中。只有這樣，到擴(kuò)初設(shè)計(jì)和施工圖設(shè)計(jì)階段的截面尺寸優(yōu)化才會(huì)有實(shí)質(zhì)性的意義。

2.2剪力墻的平面布置主要應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）在結(jié)構(gòu)平面布置中，在滿足建筑功能的基礎(chǔ)上，剪力墻宜沿周邊均勻、相對(duì)集中布置。在建筑物的樓梯間、電梯間、平面形狀變化及恒載較大的部位宜布置剪力墻，其間距不宜過(guò)大。（2）剪力墻結(jié)構(gòu)中，剪力墻宜沿主軸方向或其他方向雙向布置，抗震設(shè)計(jì)的剪力墻結(jié)構(gòu)，應(yīng)避免僅單向有墻的結(jié)構(gòu)布置形式。（3）剪力墻墻肢截面宜簡(jiǎn)單、規(guī)則，剪力墻結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度不宜過(guò)大。（4）設(shè)計(jì)中應(yīng)注意盡量減少短肢剪力墻的數(shù)量，不應(yīng)采用全部為短肢剪力墻的剪力墻結(jié)構(gòu)。

3.建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的對(duì)策分析

3.1建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)分析

每項(xiàng)建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)都受到了多項(xiàng)客觀目標(biāo)的影響，而且這些目標(biāo)往往以降低其他目標(biāo)的要求為代價(jià)。而建筑結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的優(yōu)化，首當(dāng)其沖就要考慮一種最為合理的方案，使這些相互矛盾的客觀目標(biāo)之間達(dá)到一定的平衡。

3.2建筑結(jié)構(gòu)選型分析

第一建筑結(jié)構(gòu)體系選型與建筑施工的關(guān)系

高層建筑施工工藝的不同，不僅會(huì)影響到材料消耗、勞動(dòng)力、工期及造價(jià)等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，而且也會(huì)影響到建筑結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，抗震性能等。所以在高層建筑結(jié)構(gòu)體系選型時(shí)就要對(duì)施工工藝連同其它因素加以權(quán)衡，綜合考慮。現(xiàn)澆鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)的造價(jià)主要包括材料、模板及施工三部分。

第二建筑結(jié)構(gòu)抗震體系選定的原則

（1）具有明確的計(jì)算簡(jiǎn)圖和合理的地震力傳遞路線；（2）具備多道抗震防線，不會(huì)因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件失效，而導(dǎo)致整個(gè)體系喪失抗側(cè)力或承受重力荷載的能力；（3）具有必要的承載力、良好的延性和較多的耗能潛力，從而使結(jié)構(gòu)體系遭遇地震時(shí)具有足夠的防倒塌能力；（4）沿水平和豎向結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度分布均勻，或按需要合理分布，避免出現(xiàn)局部削弱或突變，形成薄弱環(huán)節(jié)，從而防止地震時(shí)出現(xiàn)過(guò)大的應(yīng)力集中或塑性變形集中的危險(xiǎn)。

3.3 建筑中混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

確保建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化在高層建筑的一個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元內(nèi)，宜使結(jié)構(gòu)平面形狀簡(jiǎn)單、規(guī)則，剛度和承載力分布均勻，平面長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng)，突出部分長(zhǎng)度不宜過(guò)大；高層建筑的豎向體型宜規(guī)則、均勻，避免有過(guò)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)采用豎向布置嚴(yán)重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)。

3.4 高層建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性分析

建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性包含非常廣泛的內(nèi)容。例如傳統(tǒng)中只強(qiáng)調(diào)改進(jìn)建筑材料保溫性、改善建筑體形系數(shù)、提高建筑材料的氣密性等一系列節(jié)能降耗措施，現(xiàn)在建筑隨著形勢(shì)的發(fā)展，人們對(duì)居住環(huán)境不僅從結(jié)構(gòu)性出發(fā)，更要在建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性角度考慮，如空間組織、技術(shù)組織、結(jié)構(gòu)設(shè)置、能源與資源利用，以及建筑循環(huán)再利用等方面全面地確立經(jīng)濟(jì)性的原則、方法。

3.5 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的理論分析

在從事工程項(xiàng)目和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，除了要考慮設(shè)計(jì)對(duì)象的基本使用功能及安全可靠性外。還應(yīng)該考慮到把它設(shè)計(jì)對(duì)象設(shè)計(jì)得盡可能完美。這就是工程和結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化問(wèn)題。用科學(xué)的語(yǔ)言來(lái)描述就是：利用確定的數(shù)學(xué)方法，在所有可能的設(shè)計(jì)方案的集合中，搜索到能夠滿足預(yù)定目標(biāo)的、最令人滿意的方案。

4.結(jié)語(yǔ)

根據(jù)自己多年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合工程實(shí)例對(duì)高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出的見(jiàn)解。優(yōu)化設(shè)計(jì)，關(guān)鍵是要有整體和局部的概念，要從整體入手，落實(shí)到局部，整體和局部“兩手抓”

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