淺析建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

秦 超

（南京工業(yè)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院）

淺析建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

秦 超

（南京工業(yè)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院）

在我國(guó)，各類建筑隨著時(shí)代經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展不斷涌出，但相應(yīng)的各類建筑出現(xiàn)的問(wèn)題近些年也頻頻進(jìn)入人們的視野，我國(guó)建筑行業(yè)的發(fā)展走向也受之影響，如何合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)，而且要求建筑科學(xué)安全，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，是目前的重大問(wèn)題。本文從優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及優(yōu)化結(jié)構(gòu)問(wèn)題兩個(gè)方面針對(duì)高層建筑進(jìn)行了探討研究。

建筑分析 工程結(jié)構(gòu) 優(yōu)化設(shè)計(jì)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速增長(zhǎng)，各類高層建筑如筍出土般出現(xiàn)在我國(guó)大多數(shù)城市中。社會(huì)發(fā)展、各行各業(yè)發(fā)展不同的需求，導(dǎo)致高層建筑結(jié)構(gòu)變得多樣化，其最直觀的一點(diǎn)就是層數(shù)的不斷上升，由十層以內(nèi)增加到三、四十層不等，甚至更高，其外觀等方面要求也變得相對(duì)嚴(yán)格，這使得其結(jié)構(gòu)也逐漸趨向復(fù)雜化，這導(dǎo)致成本控制變得愈加復(fù)雜，各類成本的取舍變得難以抉擇，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也必然變得嚴(yán)謹(jǐn)，怎樣優(yōu)化設(shè)計(jì)工程結(jié)構(gòu)，既經(jīng)濟(jì)實(shí)用又安全美觀，是我國(guó)建筑技術(shù)能否快速發(fā)展所面對(duì)的重大問(wèn)題。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是在滿足規(guī)范要求、保證結(jié)構(gòu)安全和建筑產(chǎn)品品質(zhì)的前提下，通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)布置、科學(xué)的計(jì)算論證、適度的構(gòu)造措施，充分發(fā)揮材料性能、合理節(jié)約造價(jià)的設(shè)計(jì)方法。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在當(dāng)前競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的建筑設(shè)計(jì)市場(chǎng)成為大勢(shì)所趨。下面就開(kāi)始簡(jiǎn)單的分析建筑結(jié)構(gòu)如何優(yōu)化設(shè)計(jì)。

一、建筑工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

1.1 、工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)分析法

工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)分析法是將待優(yōu)化的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作為準(zhǔn)確目標(biāo)，針對(duì)影響目標(biāo)設(shè)計(jì)的不同因素進(jìn)行分析，并對(duì)這些分析所得結(jié)果進(jìn)行規(guī)律整合，依據(jù)此規(guī)律來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的最佳效果，進(jìn)而使工程整體結(jié)構(gòu)最優(yōu)化。這種方法的特點(diǎn)就是抓住工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)，分析工程結(jié)構(gòu)問(wèn)題關(guān)鍵所在，極具針對(duì)性，最終能達(dá)到建筑結(jié)構(gòu)整體最優(yōu)化的目的，通常能有效的解決相關(guān)問(wèn)題。具體表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)體系與布置的優(yōu)化，比如應(yīng)根據(jù)建筑布置、高度和使用功能要求選擇經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)體系；選擇比較規(guī)則的平面方案和立面方案；選擇合理、均勻的柱網(wǎng)尺寸，使板、梁、柱、墻的受力合理等。這些都是從宏觀上整體上的優(yōu)化。

1.2 、工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題分解法

通常工程結(jié)構(gòu)出現(xiàn)或大或小的問(wèn)題，其中大問(wèn)題一般不易處理，而如果將工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化問(wèn)題分解成相對(duì)較小的次問(wèn)題，如框架梁、柱、基礎(chǔ)等問(wèn)題，分步處理，這樣條理更加清晰，也可靠易解決的多。優(yōu)化過(guò)程分成兩步處理，第一步就是對(duì)各個(gè)小問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化處理。根據(jù)不同類型的結(jié)構(gòu)如梁、柱、基礎(chǔ)等問(wèn)題的特征，針對(duì)這些問(wèn)題分別采用不同的處理方法。第二步就是對(duì)這些小問(wèn)題構(gòu)成的大問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化處理，對(duì)小問(wèn)題的優(yōu)化方法進(jìn)行針對(duì)調(diào)整，重復(fù)幾次，這樣就能得到最有效的處理方法。這種方法的優(yōu)化過(guò)程具有不錯(cuò)的針對(duì)性，嚴(yán)謹(jǐn)性，且能提高效率。具體表現(xiàn)為材料的優(yōu)化、荷載的優(yōu)化、設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化等，這些優(yōu)化是從微觀的、局部的角度出發(fā)的。

二、分析并優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 、優(yōu)化設(shè)計(jì)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)

目前通常采用準(zhǔn)則法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。開(kāi)始依據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)的初始截面，采用有限元法對(duì)各種情況下的建筑結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行內(nèi)力分析；接著將結(jié)構(gòu)拆分成單獨(dú)的梁，柱等構(gòu)件，根據(jù)不同的受力情況，進(jìn)行分步優(yōu)化。但是，需要根據(jù)不同的實(shí)際情況，采用相應(yīng)的方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。

此外，根據(jù)對(duì)抗震等級(jí)不同要求的框架，我們需要適當(dāng)增加箍筋直徑或者加密箍筋與框架梁的間距。通常情況下，工程習(xí)慣常取加密區(qū)的箍筋與框架梁的最小間距是100mm，非加密區(qū)兩者的最大間距為200mm，并以此為依據(jù)計(jì)算出加密區(qū)的截面面積，再根據(jù)相應(yīng)規(guī)定來(lái)確定箍筋直徑和肢數(shù)。但是，在設(shè)計(jì)非加密區(qū)柱梁的配筋時(shí)得考慮相應(yīng)的實(shí)際情況。

2.2、 優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)造價(jià)占結(jié)構(gòu)造價(jià)比重最大，基礎(chǔ)的節(jié)省將對(duì)整個(gè)工程造價(jià)的降低起決定性的作用。基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是合理選擇基礎(chǔ)形式。一般的，低層住宅優(yōu)先考慮淺埋天然基礎(chǔ)，多層住宅優(yōu)先考慮沉降控制復(fù)合基礎(chǔ)，對(duì)于深埋獨(dú)立地下室，可考慮采用補(bǔ)償式基礎(chǔ)。

設(shè)置地下室時(shí)，對(duì)地下室的埋深、抗浮水位、樁型、底板頂板結(jié)構(gòu)形式、側(cè)墻設(shè)計(jì)、基坑圍護(hù)等內(nèi)容應(yīng)進(jìn)行充分比較和科學(xué)驗(yàn)證，盡可能用科學(xué)合理的方法節(jié)省造價(jià)。地下車庫(kù)頂板常用結(jié)構(gòu)型式有大跨梁板、十字梁、井字梁、柱帽無(wú)梁樓蓋、預(yù)應(yīng)力有／無(wú)梁樓蓋、空心樓蓋等幾種；底板常用結(jié)構(gòu)型式有“承臺(tái)+底板”、“承臺(tái)+地梁+底板”等幾種。應(yīng)根據(jù)建筑、荷載和場(chǎng)地條件進(jìn)行多方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較后再選擇最合理的方案。

2.3、 優(yōu)化框-剪結(jié)構(gòu)的剪力墻

除了建筑強(qiáng)度以外，建筑的變形適應(yīng)能力是影響高層建筑地震時(shí)安全問(wèn)題的另一大因素。而如何控制好建筑結(jié)構(gòu)的適應(yīng)剛度以及側(cè)向位移是我們面對(duì)優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的兩大難題。如果剪力墻的剛度較大時(shí)，導(dǎo)致房屋的自振周期減小，造成了地震載荷也隨之增大；但如果剪力墻剛度較小時(shí)，就達(dá)不到抵抗地震載荷的意義。因此如何合理地選擇剪力墻的剛度，使得它具有最小的抗側(cè)向位移剛度，是我們必須解決的。通常，剪力墻的布置宜規(guī)則、均勻、對(duì)稱，以控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)變形。在滿足規(guī)范和計(jì)算的前提下應(yīng)盡量減少墻的數(shù)量，限制墻肢長(zhǎng)度，控制連梁剛度，剪力墻能落地的就全部落地不做框支轉(zhuǎn)換層，平面能布置成大開(kāi)問(wèn)的盡量布置成大開(kāi)間，墻體的厚度滿足構(gòu)造要求和軸壓比的要求即可。連梁剛度太大時(shí)可通過(guò)梁中開(kāi)水平縫變成雙梁、增大跨高比等措施降低連梁剛度。盡量少用短肢剪力墻，限制“一”字墻，少做轉(zhuǎn)換。

2.4 、優(yōu)化框-筒結(jié)構(gòu)的尺寸

框-筒結(jié)構(gòu)是當(dāng)前大多數(shù)高層建筑采用的一種結(jié)構(gòu)方式，其優(yōu)點(diǎn)是平面設(shè)置比較規(guī)則，建筑空間較大，抗側(cè)向位移強(qiáng)度較高。根據(jù)資料以及相應(yīng)實(shí)驗(yàn)表明，風(fēng)載荷是非地震區(qū)域和沿海區(qū)域高層建筑主要承受的側(cè)向載荷，而在框-筒結(jié)構(gòu)中，筒體大約承載了7/10的風(fēng)載荷，其主要目的就是承載水平側(cè)向力。一般來(lái)說(shuō)，風(fēng)載荷與建筑層的高度息息相關(guān)，是隨高度變化而相應(yīng)變化的，但在實(shí)際運(yùn)用中，通常選擇將建筑物的高度分成若干個(gè)點(diǎn)來(lái)計(jì)算風(fēng)載荷，按照不同的規(guī)格要求及建立數(shù)據(jù)模型，構(gòu)建最佳的筒體高度和厚度，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)載荷作用下的尺寸最大優(yōu)化。

2.5 、優(yōu)化結(jié)構(gòu)計(jì)算中的重要參數(shù)

建筑結(jié)構(gòu)的計(jì)算要求十分嚴(yán)謹(jǐn)，一個(gè)小的錯(cuò)誤就有可能導(dǎo)致整個(gè)建筑的安全抗震性出現(xiàn)隱患，這就要求所有的計(jì)算結(jié)果需要得到分析，并且判斷其結(jié)果的合理性，確認(rèn)有效才可應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)的自振周期、樓層抗震剪力系數(shù)、彈性側(cè)向位移、柱底內(nèi)力設(shè)計(jì)值等等重要參數(shù)都需要經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)計(jì)算得出。為了分析這些重要參數(shù)的合理可靠性，除了正確的結(jié)構(gòu)計(jì)算圖、合理的結(jié)構(gòu)方案、正確填寫(xiě)相關(guān)信息等等，如何合理選取計(jì)算機(jī)計(jì)算得出的信息中的各項(xiàng)參數(shù)也是十分重要的。這就要求我們?cè)O(shè)計(jì)人員深刻理解規(guī)范條文的要求，明確結(jié)構(gòu)的受力情況，這樣得出的相應(yīng)參數(shù)，才能有效合理應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)，保障了建筑本身的安全性。

三、總結(jié)

隨著我國(guó)各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)的飛速增長(zhǎng)，在大中小城市中，各類高層建筑的需求也必隨之增大，滿足需求形式、建筑材料、以及力學(xué)數(shù)字分析模型等等要求更加復(fù)雜多樣化，這就要求對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行合理的優(yōu)化，這樣做有利于實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)安全可靠，科學(xué)合理，經(jīng)濟(jì)實(shí)用的性能需求。

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1007-6344（2015）11-0151-01