基于風(fēng)致響應(yīng)的高層建筑等效靜力風(fēng)荷載優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

俞英娜

（蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院 土木工程系，蘭州 730060）

基于風(fēng)致響應(yīng)的高層建筑等效靜力風(fēng)荷載優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

俞英娜

（蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院 土木工程系，蘭州 730060）

高層建筑風(fēng)致響應(yīng)目前需要一個(gè)等效靜力風(fēng)荷載優(yōu)化。高層建筑風(fēng)致響應(yīng)等效靜力風(fēng)荷載優(yōu)化能帶來(lái)內(nèi)外部規(guī)模的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)效應(yīng)，提高企業(yè)自主創(chuàng)新能力，促進(jìn)企業(yè)發(fā)展及風(fēng)致響應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)力形成。一定區(qū)域的建筑風(fēng)致響應(yīng)等效靜力風(fēng)荷載優(yōu)化是在區(qū)域相關(guān)條件約束下形成的，有效的高層建筑風(fēng)致響應(yīng)等效靜力風(fēng)荷載優(yōu)化應(yīng)該是基于區(qū)域比較優(yōu)勢(shì)發(fā)展起來(lái)的。文章系統(tǒng)地介紹了高層建筑的定義及規(guī)模，然后又闡述了區(qū)位優(yōu)勢(shì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，最后介紹了等效靜力風(fēng)荷載優(yōu)化的一系列的特征。

風(fēng)致響應(yīng)；高層建筑；等效靜力風(fēng)荷載優(yōu)化

0 引言

自19世紀(jì)中葉出現(xiàn)高層建筑以后，高層建筑占據(jù)建筑中最重要的地位。隨著世界建設(shè)任務(wù)的日益繁重，人們對(duì)高層建筑建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)和要求了解愈發(fā)深入，隨之產(chǎn)生了一些顯著的有關(guān)高層建筑的政策和法律法規(guī)，形成了一套有效的高層建筑評(píng)價(jià)體系。同時(shí)為了促進(jìn)高層建筑的發(fā)展，也出現(xiàn)了專門的高層建筑組織管理部門。大力發(fā)展等效靜力風(fēng)荷載優(yōu)化能帶來(lái)內(nèi)外部規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，提高企業(yè)自主創(chuàng)新能力，促進(jìn)企業(yè)發(fā)展及競(jìng)爭(zhēng)力形成。

1 高層建筑風(fēng)致響應(yīng)

1.1 有關(guān)高層建筑風(fēng)致響應(yīng)的概念

國(guó)外高層建筑研究起步較晚，形成了一定的有關(guān)高層建筑的定義。然而，由于經(jīng)濟(jì)技術(shù)、地域觀念等因素差異，國(guó)內(nèi)對(duì)此準(zhǔn)確定義并未達(dá)到有效的共識(shí)，但對(duì)于高層建筑的基本內(nèi)涵認(rèn)識(shí)是一致的，這主要包含以下幾方面內(nèi)容：

首先，節(jié)約環(huán)保。節(jié)約環(huán)保要求在建筑的建造和投入使用過(guò)程中，從空間環(huán)境承載力、資源可再生力和生態(tài)修復(fù)力等多角度出發(fā)，盡可能地節(jié)約材料、能源和水電等，以此減少環(huán)境污染。

其次，健康舒適。人們對(duì)于建筑環(huán)境的住宿環(huán)境要求很高，因此健康舒適是很重要的方面。健康舒適即要求建筑建造時(shí)使用符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的材料，并控制建筑內(nèi)有關(guān)化學(xué)物質(zhì)的含量達(dá)到國(guó)標(biāo)要求。此外，要盡可能優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，注重一些通風(fēng)、采光等細(xì)節(jié)要求，為建筑使用者提供清新高質(zhì)量空氣，并能提高居住舒適度。

最后，自然和諧。人與環(huán)境的協(xié)調(diào)統(tǒng)一是人與環(huán)境相處的重要內(nèi)容。建筑使用者需要擁有較強(qiáng)的環(huán)保意識(shí)，珍惜愛(ài)護(hù)自然環(huán)境，避免因個(gè)人行為對(duì)建筑環(huán)境造成破壞影響。因此，也稱高層建筑為生態(tài)建筑、環(huán)保建筑和可持續(xù)發(fā)展建筑。一般在建筑從選址設(shè)計(jì)到施工到運(yùn)行維護(hù)再到最后的改造拆除的生命周期內(nèi)，通常采用環(huán)保節(jié)約型工藝進(jìn)行建筑構(gòu)造。國(guó)內(nèi)關(guān)于高層建筑的定義是：高層建筑指的是在建筑整個(gè)生命周期內(nèi)，盡可能通過(guò)節(jié)能、節(jié)材等保護(hù)環(huán)境并減少污染，為使用者提供健康舒適的空間，最終達(dá)到人與自然環(huán)境和諧統(tǒng)一的境界，構(gòu)建綠色型生存環(huán)境。本文所討論的高層建筑是界定在符合國(guó)家高層建筑評(píng)價(jià)體系內(nèi)的建筑。

1.2 高層建筑風(fēng)致響應(yīng)的發(fā)展階段

根據(jù)國(guó)內(nèi)外有關(guān)高層建筑的發(fā)展回顧，高層建筑風(fēng)致響應(yīng)的發(fā)展經(jīng)歷了4個(gè)重要演變階段，這一點(diǎn)跟風(fēng)致響應(yīng)生命周期的發(fā)展軌跡相似。

1.2.1 雛形期

在這一時(shí)期發(fā)展過(guò)程中，最為顯著的是“綠色”概念的興起，在各類組織的積極推進(jìn)下，打造節(jié)能環(huán)保建筑的思想逐漸明朗，各國(guó)對(duì)高層建筑的標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)識(shí)更為深刻。顯著的成果是出臺(tái)了一系列有關(guān)高層建筑的標(biāo)準(zhǔn)政策和法律法規(guī)，有關(guān)高層建筑的評(píng)價(jià)體系也開(kāi)始出現(xiàn)。同時(shí)有關(guān)高層建筑管理和促進(jìn)其發(fā)展的非盈利性組織也隨之誕生。

1.2.2 成長(zhǎng)期

在這一階段，高層建筑發(fā)展開(kāi)始深入，深化的政策法規(guī)不斷完善規(guī)范，并且越來(lái)越多企業(yè)開(kāi)始接受高層建筑的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。此時(shí)已出現(xiàn)部分強(qiáng)實(shí)力的企業(yè)入駐市場(chǎng)，這些企業(yè)將綠色概念引入并加強(qiáng)對(duì)高層建筑產(chǎn)品的市場(chǎng)宣傳，并為消費(fèi)者提供切身體驗(yàn)，以此贏得消費(fèi)者的支持和認(rèn)可，從而提高市場(chǎng)知名度，綠色建筑的市場(chǎng)需求也急速上升。

1.2.3 成熟期

在成熟期發(fā)展階段，高層建筑風(fēng)致響應(yīng)的成熟期經(jīng)歷了相對(duì)漫長(zhǎng)的時(shí)期，關(guān)于高層建筑的政策法規(guī)也趨于穩(wěn)定，主要內(nèi)容是針對(duì)以往規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)的延續(xù)和進(jìn)一步完善。

1.2.4 飛躍期

伴隨著高層建筑產(chǎn)品在市場(chǎng)認(rèn)知度的深入提高，并在高層建筑風(fēng)致響應(yīng)成熟期的深入發(fā)展后，其未來(lái)發(fā)展將更加深遠(yuǎn)且更受消費(fèi)者歡迎。

2 高層建筑風(fēng)致響應(yīng)等效靜力風(fēng)荷載優(yōu)化分析

我國(guó)高層建筑風(fēng)致響應(yīng)發(fā)展起步較晚，在2006年開(kāi)始起步，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)高層建筑風(fēng)致響應(yīng)一直在加緊追趕和學(xué)習(xí)的腳步，通過(guò)借鑒并結(jié)合自身特色逐步發(fā)展符合自身需求的風(fēng)致響應(yīng)。基于高層建筑風(fēng)致響應(yīng)的鏈劃分標(biāo)準(zhǔn)，主要包括上游、中游和下游三個(gè)環(huán)節(jié)，其中上游包括建筑設(shè)計(jì)、節(jié)能環(huán)保材料制造和技術(shù)人員培養(yǎng)，此環(huán)節(jié)對(duì)于技術(shù)水平要求相對(duì)較高；中游環(huán)節(jié)則主要針對(duì)房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)環(huán)節(jié)，它是高層建筑風(fēng)致響應(yīng)直接的價(jià)值體現(xiàn)，此環(huán)節(jié)主要是對(duì)資金的需求，技術(shù)要求方面要稍次于上游，同時(shí)對(duì)于消費(fèi)者也有一定的知識(shí)水平要求，從而能從環(huán)保觀念接受這種新觀念，當(dāng)然此部分內(nèi)容也離不開(kāi)政府及有關(guān)部門的支持；最后一個(gè)是下游環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)主要是對(duì)高層建筑的綠色金融和物業(yè)管理等，技術(shù)要求較低，其發(fā)展是基于中游環(huán)節(jié)的發(fā)展基礎(chǔ)上。

高層建筑設(shè)優(yōu)化算法：在設(shè)計(jì)方面，目前國(guó)內(nèi)完成過(guò)高層建筑申報(bào)的單位包括中國(guó)建筑科學(xué)研究院上海分院、天津分院和建筑設(shè)計(jì)院以及北京清華城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，他們是參與設(shè)計(jì)項(xiàng)目最多的單位。高層建筑設(shè)計(jì)行業(yè)內(nèi)，市場(chǎng)集中度非常高，通常城市高層建筑的開(kāi)往往需要跨省市的多家設(shè)計(jì)單位進(jìn)行合作。進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)可以分為3個(gè)步驟：第一，創(chuàng)建和優(yōu)化模型對(duì)應(yīng)于實(shí)際的工程設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)方案；其次，根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，變量的類型和優(yōu)化選擇的快速收斂速度實(shí)現(xiàn)高效率的優(yōu)化算法；第三，根據(jù)優(yōu)化模型和優(yōu)化算法，使用有限元分析軟件和數(shù)據(jù)處理語(yǔ)言相應(yīng)的計(jì)算機(jī)優(yōu)化程序。在這3個(gè)步驟中，優(yōu)化算法的選擇直接影響建筑的質(zhì)量和耗時(shí)以及最終的優(yōu)化結(jié)果，這是優(yōu)化設(shè)計(jì)的核心部分。根據(jù)理論基礎(chǔ)，可以將優(yōu)化算法可以分為3類：數(shù)學(xué)規(guī)劃、優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)方法、現(xiàn)代優(yōu)化算法。基于數(shù)學(xué)規(guī)劃理論的數(shù)學(xué)規(guī)劃方法，以滿足收斂標(biāo)準(zhǔn)在一定條件下達(dá)到最優(yōu)解，具有良好的適用性，收斂性也很好。標(biāo)準(zhǔn)算法則是一種更古老的結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法，它的起源可以追溯到1950年，根據(jù)準(zhǔn)則法律力學(xué)概念建立一定的標(biāo)準(zhǔn)，然后通過(guò)相應(yīng)的迭代計(jì)算，可以從所有的設(shè)計(jì)變量來(lái)滿足這些標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械或優(yōu)化設(shè)計(jì)的算法設(shè)計(jì)?，F(xiàn)代優(yōu)化算法是一種年輕化的新型優(yōu)化算法，在近年來(lái)發(fā)展迅速，它在航空航天工程、電腦程序設(shè)計(jì)方面均有應(yīng)用。目前，現(xiàn)代優(yōu)化算法在高層建筑優(yōu)化設(shè)計(jì)中發(fā)揮著重要的作用?，F(xiàn)代優(yōu)化算法的基本原理是組合優(yōu)化，即在本質(zhì)上是通過(guò)建立問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)，求解目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解，將優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為函數(shù)最優(yōu)解求解問(wèn)題。

高層建筑材料：高層建筑材料的使用是參考《高層建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》。目前國(guó)內(nèi)擬獲得高層建筑評(píng)價(jià)標(biāo)識(shí)的建筑體，其所使用的建筑材料只有基于總體指導(dǎo)性的要求，并沒(méi)有出臺(tái)相關(guān)細(xì)則要求。具體是，規(guī)定此類建筑使用的建材滿足國(guó)家或行業(yè)相應(yīng)的產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，盡可能地就地取材，希望20%以上的建筑材料來(lái)源于距施工現(xiàn)場(chǎng)500 km以內(nèi)。鼓勵(lì)使用耐用不易損耗的高層建筑材料，如高強(qiáng)度鋼、高性能混凝土、高性能混凝土外加劑。在同等性能需求，高層建筑材料的使用可以獲得更有利于成本效益最大化的解決方案，同時(shí)實(shí)現(xiàn)靜力風(fēng)荷載最優(yōu)化的設(shè)計(jì)。研究表明，利用高層建筑材料與傳統(tǒng)材料相比，工程成本往往會(huì)減少6%到20%，從而提高結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)外在表現(xiàn)值。例如上海環(huán)球金融中心（101層、492 m高），南京紫峰大廈（118層，450 m高），深圳、北京金融中心（100層，441.8 m高），廣州國(guó)際金融中心（103層，高437.5 m），上海金茂大廈（91層，420 m高）等等，由于建筑創(chuàng)新的獨(dú)特要求，以及現(xiàn)場(chǎng)條件、約束性功能限制以及其他因素，使用適當(dāng)?shù)姆媳O(jiān)管要求的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的高層建筑材料，可以表現(xiàn)為建筑高度的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)小阻尼且結(jié)構(gòu)復(fù)雜和非對(duì)稱布局等特點(diǎn)。高級(jí)建筑材料的使用，在解決風(fēng)致響應(yīng)的安全性與經(jīng)濟(jì)性之間實(shí)現(xiàn)了一個(gè)合理的平衡。

3 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)的高層建筑風(fēng)致響應(yīng)正處于高層建筑風(fēng)致響應(yīng)生命周期中的成長(zhǎng)階段的初期。雖然國(guó)內(nèi)高層建筑風(fēng)致響應(yīng)在等效靜力風(fēng)荷載優(yōu)化程度上具有較高水準(zhǔn)，但是等效靜力風(fēng)荷載優(yōu)化的發(fā)展會(huì)逐漸減弱，風(fēng)致響應(yīng)發(fā)展將在全國(guó)各地得到廣泛運(yùn)用并開(kāi)展深入的發(fā)展。我國(guó)高層建筑風(fēng)致響應(yīng)等效靜力風(fēng)荷載優(yōu)化現(xiàn)象對(duì)風(fēng)致響應(yīng)的發(fā)展能發(fā)揮積極效應(yīng)。

[1]李遵白，吳貴生.基于技術(shù)路線圖的中國(guó)高層建筑風(fēng)致響應(yīng)發(fā)展研究[J].現(xiàn)代管理科學(xué)，2011（05）：3-5.

[2]王曉燕，張銳.高層建筑的生命周期成本評(píng)價(jià)[J].科學(xué)研究，2010（11）：681-684.

[3]馬恒升，宋燕，魏太賓.高層建筑技術(shù)開(kāi)發(fā)必須與市場(chǎng)開(kāi)發(fā)保持互動(dòng)——美國(guó)高層建筑發(fā)展啟示[J].建筑論壇，2005（07）：44-47.

[4]鄭世剛，張兆旺.高層建筑相關(guān)利益群體博弈分析——基于高層建筑價(jià)值鏈視角[J].科技進(jìn)行與對(duì)策，2012（09）：143-146.

TU119+.21

A

1673-1093（2015）07-0077-03

俞英娜，就職于蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院。

10.3969/j.issn.1673-1093.2015.07.019

2015-03-21；

2015-03-29