高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的技術(shù)優(yōu)化方法研究

陳 銳 安徽省建筑設(shè)計研究總院股份有限公司工程師

目前，我國人民對生活居住環(huán)境的要求逐漸從可以住轉(zhuǎn)變?yōu)楦咂焚|(zhì)的居住，國家及社會為滿足人民日益增長的生活需求，也出臺了各種各樣的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范要求，在此方面增大了資金投入。高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的主要目標(biāo)為在保證建筑功能性、安全性的同時最大限度地節(jié)省建筑物的占地面積，追求經(jīng)濟(jì)效益。高層建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化包括建筑結(jié)構(gòu)的整體和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計。隨著受力計算分析軟件的應(yīng)用和相關(guān)設(shè)計理論的結(jié)合，使工程設(shè)計問題向數(shù)學(xué)計算問題過渡。因此，學(xué)習(xí)和熟練掌握相關(guān)的計算機(jī)技術(shù)也是實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計的前提。

我國的建筑業(yè)處于高速發(fā)展階段，建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計非常重要，人們對建筑的要求逐漸傾向于既美觀又能帶來精神上的享受。然而許多建筑設(shè)計缺乏對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的考慮，導(dǎo)致建筑設(shè)計缺乏安全性和穩(wěn)定性，無法滿足居民的最初要求。因此在建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，既要考慮建筑物的功能，又要考慮建筑物的美觀，同時保證建筑物的安全質(zhì)量[1]。

1 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方式的重要性

我國居民樓及商業(yè)中心的發(fā)展情況表明，未來住宅及商業(yè)辦公樓的建設(shè)將以高層建筑和摩天大樓為主。在確保結(jié)構(gòu)設(shè)計符合人們的要求下，如何減少建筑相關(guān)的資金投入已成為開發(fā)商、設(shè)計單位以及建筑公司關(guān)注的重要課題。建筑設(shè)計單位在優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，設(shè)計人員應(yīng)在保證質(zhì)量合格的前提下對設(shè)計方案進(jìn)行系統(tǒng)分析，運(yùn)用先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)計理念對項(xiàng)目進(jìn)行統(tǒng)籌管理，進(jìn)而合理控制建設(shè)工程造價，使后續(xù)施工可以有序開展。結(jié)合相關(guān)房產(chǎn)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，如果設(shè)計人員能夠?qū)⑹┕ぜ夹g(shù)與經(jīng)濟(jì)效益緊密結(jié)合，制定科學(xué)的設(shè)計方案，那么開發(fā)商及建設(shè)施工企業(yè)就能獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。

對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行科學(xué)優(yōu)化，一方面可以充分展示機(jī)械設(shè)備的性能，使其在施工現(xiàn)場得到充分利用，避免不必要的機(jī)械設(shè)備的浪費(fèi)；另一方面在設(shè)計時采用綠色環(huán)保、節(jié)能的建筑材料同樣可以控制建設(shè)方的施工成本。因此，合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以減少相應(yīng)的成本投入，給整個企業(yè)帶來顯著的收益。同時，通過設(shè)計人員對建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，能夠系統(tǒng)結(jié)合高層建筑結(jié)構(gòu)的層次，增強(qiáng)高層建筑的品質(zhì)，讓住戶的生活安全更有保障。綜上，建筑結(jié)構(gòu)的合理優(yōu)化設(shè)計是提高人民居住環(huán)境和為企業(yè)帶來最大利益的重要途徑之一[2]。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化方式的意義

2.1 降低了建設(shè)項(xiàng)目成本

通過分析建設(shè)單位施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)，建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計對節(jié)約建筑成本起著非常重要的作用，保證了建筑設(shè)備與材料的更合理使用，減少了不必要的浪費(fèi)，從而保證了建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的經(jīng)濟(jì)效益。此外，在優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，還需要制定完整、科學(xué)的造價計劃，以節(jié)約建筑施工成本。建造高層建筑工程時對成本的控制非常重要，因?yàn)榻ㄖI(yè)投資方及設(shè)計單位發(fā)展的最終目標(biāo)是盈利。高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計要節(jié)約資源，同時兼顧房屋施工的安全性。由于建筑工程不可能一味追求安全，消耗大量資源，因此有必要對房屋建筑工程實(shí)施更有效的結(jié)構(gòu)設(shè)計，降低建設(shè)項(xiàng)目的建設(shè)成本[3]。

2.2 提高房屋建筑的安全性

目前，市場上出現(xiàn)了多種結(jié)構(gòu)分析軟件，如YJK 建筑結(jié)構(gòu)分析軟件等為建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供更可靠的數(shù)據(jù)，并采用參數(shù)化的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，確保建筑結(jié)構(gòu)在設(shè)計時的安全性和有效性。同時，合理利用受力分析軟件能夠節(jié)約一定的設(shè)計成本、建設(shè)成本，還可以改善建筑外觀，提升建設(shè)結(jié)構(gòu)的安全性。

2.3 提高房屋建筑的經(jīng)濟(jì)性

高層居民住宅的主要優(yōu)勢體現(xiàn)在采光、取暖、戶型、主體外觀等方面，因此具備相應(yīng)優(yōu)勢的建筑才能更好地得到購買者的喜愛。但是在大量出售房源的過程中，由于某些因素?zé)o法滿足居民的需求，銷售結(jié)果就會不理想。因此，在建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，需要仔細(xì)考慮建筑物之間的間距、層高、土地使用率等，從而給建設(shè)方帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益[4]。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化的控制指標(biāo)

結(jié)構(gòu)布置的合理性可以作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計好與壞的標(biāo)準(zhǔn)，整體剛度足夠大可以防止橫向移動。結(jié)構(gòu)的豎向剛度均勻，可以避免薄弱處損壞導(dǎo)致的整體受力超過結(jié)構(gòu)承載力。平面剛度均勻，可以減少整體扭轉(zhuǎn)破壞。事實(shí)證明，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)顯著降低了結(jié)構(gòu)的整體承載能力，整體質(zhì)量越低，結(jié)構(gòu)的地震效應(yīng)和基礎(chǔ)負(fù)荷就越小。

因此，可以將結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化過程中對其有影響的控制指標(biāo)分為結(jié)構(gòu)特性指標(biāo)、判定性指標(biāo)以及結(jié)構(gòu)效應(yīng)指標(biāo)。各類指標(biāo)之間的影響關(guān)系如圖1 所示，外側(cè)的指標(biāo)可以影響內(nèi)側(cè)的指標(biāo)，同一圈內(nèi)的指標(biāo)可以相互影響?，F(xiàn)對主要影響指標(biāo)及其優(yōu)化方式進(jìn)行簡單介紹[5]。

圖1 各指標(biāo)影響示意

3.1 剛度比

結(jié)構(gòu)側(cè)向總剛度與重力荷載之間的比值就是剛重比。如果在調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度相關(guān)的各項(xiàng)指標(biāo)時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的剛度比接近規(guī)范限值，則應(yīng)考慮在結(jié)構(gòu)合理布置上進(jìn)行優(yōu)化，以提高建筑結(jié)構(gòu)的整體側(cè)移剛性。規(guī)范對剛度比的規(guī)定，主要取決于兩個方面。一是確保結(jié)構(gòu)有足夠的剛度以承受因地震和風(fēng)載而產(chǎn)生的變形影響及失穩(wěn)效應(yīng)；二是判斷結(jié)構(gòu)在重力荷載作用下的重力二階效應(yīng)是否可以忽略不計。

剪力墻、框—剪、筒體結(jié)構(gòu)的規(guī)范要求為：

框架結(jié)構(gòu)的規(guī)范要求為：

式中：EJd為等效側(cè)向剛度；H為建筑高度；Gi為第i 層重力荷載設(shè)計值；hi為層高；Di為彈性等效側(cè)向剛度；n為總層數(shù)。

調(diào)整剛度重量比的本質(zhì)是調(diào)整結(jié)構(gòu)的整體剛度，主要是對結(jié)構(gòu)主體能夠抵抗側(cè)力的構(gòu)件進(jìn)行調(diào)整，如調(diào)整框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架—核心筒結(jié)構(gòu)中豎向結(jié)構(gòu)的尺寸與位置等。另外，需要注意各個剛度很大的構(gòu)件之間的連接方式，如連接梁兩端鉸接式連接與兩端固定式連接的區(qū)別。調(diào)優(yōu)的思路應(yīng)該是先考慮調(diào)整連接，再調(diào)整位置，最后再添加更多的組件。這樣更符合項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)要求，同時減少了設(shè)計工作量。

3.2 周期比

周期比主要反映建筑物的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，是結(jié)構(gòu)本身抗扭剛度與結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度的比例，是建筑結(jié)構(gòu)具備的特性，不受外部荷載的影響，不會因荷載的改變而變化。結(jié)構(gòu)的周期比反映的是建筑物本身抵抗扭轉(zhuǎn)的能力，在這一方面可以看出其與位移比之間的區(qū)別，而位移比一般反映的是建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件受到外部荷載作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化過程中，對周期比的調(diào)整一方面可以對結(jié)構(gòu)在平面上進(jìn)行合理布置，使其達(dá)到水平面上的均勻合理，這樣可以減少結(jié)構(gòu)的偏心以及建筑的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。另一方面可以合理布置結(jié)構(gòu)中能夠抵抗側(cè)力的構(gòu)件的相對位置、尺寸等，增大結(jié)構(gòu)抵抗扭轉(zhuǎn)的剛度。

3.3 位移比

位移比主要反映樓層間的扭曲效應(yīng)，是結(jié)構(gòu)布局不規(guī)則性的重要參數(shù)。為了使建筑結(jié)構(gòu)的平面布局具有規(guī)律性，就需要考慮位移比和最大位移。如果結(jié)構(gòu)布置不合理，則可能會因偏心過大而發(fā)生不規(guī)則扭轉(zhuǎn)，從而影響整體穩(wěn)定性。同時還要保證高層建筑結(jié)構(gòu)主體的受力狀態(tài)處于彈性階段，避免樓板墻體、柱出現(xiàn)裂縫，因此在調(diào)整過程中首先還是要對建筑主體結(jié)構(gòu)抵抗側(cè)力的構(gòu)件進(jìn)行合理布置，增大結(jié)構(gòu)的抗扭轉(zhuǎn)剛度。

3.4 位移角

位移角也稱為層間位移角，指上下樓層間產(chǎn)生的側(cè)向位移與層高之間的比值，當(dāng)位移角計算偏大時，其優(yōu)化方式和剛重比的調(diào)整一致，區(qū)別為剛重比的優(yōu)化能夠更好地改變建筑的結(jié)構(gòu)剛度，而位移角的優(yōu)化對剛度的影響較小。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化及方式在高層建筑上的應(yīng)用分析

4.1 整體優(yōu)化

優(yōu)化設(shè)計包括整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和內(nèi)部構(gòu)件的優(yōu)化，兩者之間存在一定的影響作用。在設(shè)計工作的各個部分，結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化包括模型設(shè)計優(yōu)化、受力構(gòu)件優(yōu)化、基礎(chǔ)優(yōu)化等很多內(nèi)容。設(shè)計師需要充分利用所學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計知識，進(jìn)行深入思考和分析，針對各種設(shè)計項(xiàng)目不僅要保證適用性和安全性，還要做好建設(shè)成本管理。為保證設(shè)計的科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性，設(shè)計者在后續(xù)設(shè)計過程中應(yīng)適當(dāng)進(jìn)行現(xiàn)場檢查和論證，充分了解現(xiàn)場情況，為之后的建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計打好基礎(chǔ)。例如在選擇材料時，不僅要滿足安全要求，還要仔細(xì)考慮該地區(qū)的實(shí)際情況。如果建筑所在區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，設(shè)計者應(yīng)從實(shí)際出發(fā)，制定總體規(guī)劃的同時也要對基礎(chǔ)方案進(jìn)行編制，只有這樣才能達(dá)到避免不必要問題阻礙現(xiàn)場施工進(jìn)度，使項(xiàng)目安全施工得到保障[6]。

4.2 模型設(shè)計

在對建筑物模型設(shè)計的過程中，設(shè)計人員首先要明確對其結(jié)構(gòu)有影響的變量，了解影響結(jié)構(gòu)設(shè)計的相關(guān)參數(shù)，并將其作為優(yōu)化設(shè)計過程中的可控因素。然后選擇正確的目標(biāo)函數(shù)。設(shè)計優(yōu)化需要計算出能滿足要求的結(jié)構(gòu)尺寸與鋼筋橫截面積等與規(guī)范相關(guān)的數(shù)學(xué)函數(shù)，選擇合適的參數(shù)變量及目標(biāo)函數(shù)是模型成功建立的關(guān)鍵。通過適當(dāng)?shù)膮?shù)設(shè)置，可以在滿足規(guī)范要求的同時降低整體結(jié)構(gòu)設(shè)計的鋼材用量。

最后，確定所有的約束條件，實(shí)際的優(yōu)化設(shè)計并不是設(shè)計人員主觀的設(shè)計結(jié)果，必須在一定的約束條件下運(yùn)行。約束要素包括設(shè)計要求，如裂縫寬度、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及構(gòu)件尺寸等。一旦確定了各種約束條件，就應(yīng)該將它們與目標(biāo)約束進(jìn)行比較和分析，以確定結(jié)構(gòu)設(shè)計計算結(jié)果是否滿足當(dāng)前規(guī)范的要求。

4.3 基礎(chǔ)優(yōu)化

在高層建筑建設(shè)中，地基的質(zhì)量對整個建筑的質(zhì)量和穩(wěn)定性有很大的影響。如果基礎(chǔ)不穩(wěn)定，那么后續(xù)的施工和使用就可能會引起安全問題。因此，對基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計和優(yōu)化是十分必要的一環(huán)，具體方法是嚴(yán)格控制基礎(chǔ)類型的選擇、結(jié)構(gòu)上的設(shè)計等，確定合適的基礎(chǔ)類型、長度及承載力要求等重要參數(shù)，通過適當(dāng)?shù)膬?yōu)化修正來提高基礎(chǔ)的承載能力，使上部結(jié)構(gòu)的安全可靠性得到保障。

4.4 上部結(jié)構(gòu)的科學(xué)性優(yōu)化

設(shè)計建筑物的上層建筑結(jié)構(gòu)需要建立相應(yīng)的模型并進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。模型建立過程中的第一步，對剪力墻的位置進(jìn)行合理布置，保證建筑中的剪力墻結(jié)構(gòu)質(zhì)量均勻，這樣才能夠使樓板剛度中心點(diǎn)與樓層整體結(jié)構(gòu)中心重合，減少地震和風(fēng)對其整體結(jié)構(gòu)破壞的影響。在房屋設(shè)計中，有條件的情況下應(yīng)盡可能對剪力墻進(jìn)行大開間的構(gòu)造設(shè)計，增加承重剪力墻的墻肢長度，在符合規(guī)范要求的基礎(chǔ)上減少墻肢數(shù)量和混凝土的使用量。

另外，剪力墻的暗柱一般采用鋼材鑄成，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計使用較大的剪力墻，可以減少剪力墻的配筋量，降低施工成本。但是如果抗震和抗風(fēng)要求較高的情況下建筑物本身不具備相應(yīng)的條件，那么不適用建造過大的剪力墻。

4.5 注重細(xì)部優(yōu)化

建筑結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計需要在前期規(guī)劃時給予充分考慮，局部構(gòu)件的分析和設(shè)計也同樣如此。例如，在設(shè)計現(xiàn)澆樓板時，通過保證受力的合理性可以將異形樓板分成矩形樓板，有效防止拐角裂縫的發(fā)生。對于結(jié)構(gòu)底部的框架抗震墻，其框架梁箍筋配筋率計算結(jié)果很大，在設(shè)計時采用冷軋帶肋鋼筋作為設(shè)計箍筋，箍筋的肢數(shù)、直徑會得到減少，這樣可以在節(jié)省成本的基礎(chǔ)上提供施工便利。也可以選擇高強(qiáng)混凝土來減小柱子底部的截面尺寸，對于水平構(gòu)件，適當(dāng)減小混凝土標(biāo)號既可以滿足受力要求，又能節(jié)省成本[7]。

5 結(jié)語

通過探討優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，可以在有效保障建筑本身功能的同時管理整個工程的資金投入。優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計最基本的目標(biāo)就是既要保證建筑本身的功能需求、提高建筑本身的品質(zhì)，同時增加建設(shè)投資方的經(jīng)濟(jì)收益。實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)需要建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計師主動提高自身的知識水平，發(fā)揮創(chuàng)新意識，主動為人民居住環(huán)境提供安全保障。

建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用占有非常重要的地位，值得所有結(jié)構(gòu)設(shè)計人員為之思考。結(jié)構(gòu)設(shè)計的理論知識與結(jié)構(gòu)計算分析軟件相互融合，建筑結(jié)構(gòu)實(shí)踐問題也逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)學(xué)最優(yōu)解的計算問題。設(shè)計人員在學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)計算理論知識的同時，也要一并學(xué)習(xí)應(yīng)用更多的分析軟件，提升工作效率，節(jié)約工作成本。