多高层建筑上部结构优化设计方法研究

陈刚

摘要：本文总结了多高层建筑的上部优化设计所涉及的整体策略优化、结构体系优化、结构整体性优化和设计模型的优化处理方法，就某十二层多高层建筑优化处理实例分析阐述优化设计所能实现的效果。

关键词：多高层建筑；上部结构；优化设计；方法研究

Abstract：This paper summarizes the many tall buildings' upper optimization design involves the overall strategy optimization, system optimization, structure optimization and design model to optimize processing method, a twelve layer of high-rise building optimization processing examples analysis optimization design can achieve the effect of.

Key words：Many tall buildings; Upper structure; Optimization design; Method research

中图分类号：[TU208.3]文献标识码：A 文章编号：

引言

多高层建筑大量的建设需求使得对其结构优化设计一直都是结构领域探讨研究的重点课题之一。结构优化的理论研究已经经历了较长的发展历史，也取得了众多的优化实践经验，但是仍缺乏系统性和全面性，相对来讲对程序设计模型优化等还十分匮乏。多高层建筑从设计策略上就要实现优化，继而从多类型的结构体系选择进行荷载抗力优化处理，接着从整体性角度提高结构性能，通过结构体系和算法手段，实际操作表明优化效果明显。

上部结构设计策略的优化

数学计算优化方法是基于传统的结构问题特点而建立发展起来，运用计算机程序技术进行结构的算法优化设计，较为先进的有最优准则法和遗传算法。最优准则法是起步较早的结构优化设计方法之一，其以预先规定好一组优化设计需要满则的准则为基本出发点，继而依据这些准则来建立实现优化设计相关迭代公式进行计算。通常依据已有工程经验，使用相关的理论研究、分析和判断，继而得出迭代算法，较为适用于连续变量情况近似的工程优化方法。遗传算法发展史较短，其为近些年来新兴启发式算法之一，基于生物进化学说的自然遗传机制优化的算法。遗传算法将结构的优化设计问题转变为生物的进化过程，使用优胜劣汰机制以取得优化处理后的最优解，其操作参数的 编码，而非参数自身。遗传算法进行结构优化策略的优势在于其操作众多的起始点，并非单一点，有效地避免了搜索进程向局部的最优解收敛，同时期使用的概率转变规则避免了确定性规则的单一性，实现复杂系统的优化应用。

结构体系的优化设计

多高层建筑结构体系的优化设计目标在于实现结构足够的竖向荷载及水平荷载抵抗能力，使其具备良好的变形性能、耗能减震能力和抗震承载能力。

3.1 传力路径明晰化处理

多高层建筑的结构体系需要保证传力途径的明晰化，使得作用于结构上部的水平和竖向荷载可以直接传向基础，避开出现传力迂回的情况。优化结构体系时要尽量形成较为正确简单的计算简图，降低实际情况同计算模型之间的差异。在进行传力路径处理过程中保证概念设计最优化，尤其是有错层、转换层和大底盘等复杂结构体系形式中其作用更为突出。

3.2 多道设防措施的采用

最新修订的抗震规范对结构体系多道设防机制形成要求更为严格，通常使用合理处置承载力的分布、结构刚度与构件之间强弱的关系，利用第一道防线破坏来消耗地震能量的方式，改变整个结构的动力特性，实现减小地震作用的目标。大量的多高层建筑设计实践经验表明，对于纯框架的结构体系，加设钢或者钢筋混凝土的柱间支撑，使用支撑屈曲作用来耗能，更能优化结构抗震性能，最大限度的发挥第一道防线对框架柱保护能力。对于剪力墙结构和框架剪力墙结构，可以通过连梁的屈曲和开裂来消耗地震能量以保护墙体。第一道设防能力发挥的前提是保证连梁抗剪性能相对值，确保强剪弱弯，或设置双连梁以提高抗震效果。

3.3 强柱弱梁全面实现

作为结构延性措施保障之一的强柱弱梁，其保证就算塑性铰在梁端出现，形成了梁铰机制，避免柱子断裂，强化结构稳定性要求。高层设计规范和抗震规范都要求梁端的弯矩设计值比柱端的弯矩设计值要小来实现这一性能要求，结构的优化设计同样遵从这一设计指标，按照具体的抗震等级，保证新规范抗震调整系数情况下的具体公式要求。具体优化设计过程中，因为考虑到现浇楼板能够参与到梁受力体系之中，所以适当对梁抗弯刚度扩大1.5倍到2倍，梁支座配筋率高和板上实际配筋问题造成梁实际的刚度较计算值往往偏大，实际的梁端承载力较梁端弯矩要大。

结构整体性优化设计

由于结构空间的整体刚度大小直接的关乎着结构抗震能力强弱，结构整体性保证了结构各个体系和构件之间能够共同工作。楼盖的刚性处理对于结构整体稳定性能的提高效果非常明显，保证楼盖承受竖向荷载能力的同时，实现其在水平方向上的支撑能力。对于竖向抗侧力不均匀的结构布置或者各个抗侧力构件的水平位移不同时发生的情况，楼盖体系的抗侧力保证性能协同作用尤为重要。通过非结构构件同结构主体间的连接作用同样具有良好的结构整体性提高性能，进行结构优化设计时需要加强非结构构件同主体结构的连接部位预埋件和锚固件的设计，保证非结构构件附加地震作用合理传向主体结构。

设计计算模型优化处理

5.1 设计计算变量选择

合理选择变量时优化设计问题处理最基本的问题，对于不同界面变量采用不同的方法实现了对不同优化模型及优化算法操作的简化。矩形混凝土梁要选取梁宽B和梁高H最为优化的变量，出现不满足约束条件的时候，增加H大小直到满足要求，但是如果H/B大于3就要同时增加B，使得H/B小于3，优化截面。圆形和矩形混凝土柱要选择弯矩平面垂直面的柱宽B，此时柱截面高度H取аB，其中а参照建筑的布局和规范取值。

5.2 局部约束优化处理

局部的优化对于整体结构设计意义重大，合理控制各个局部性能就能够实现整个建筑结构的综合性能，主要的优化处理集中于构造的约束和强度条件的约束。混凝土柱的优化约束需要着重考虑堆成配筋优化，大偏心受压和小偏心受压公式计算完成后考虑受剪强度条件和梁的约束条件，进行配筋率约束，继而控制轴压比和整体综合性能。

结构优化设计处理效果分析

6.1 工程概况

图1 某十二层钢筋混凝土框架结构平面布置图

某十二层钢筋混凝土框架结构平面布置图如上图1所示，应用本文所总结的优化设计计算方法对其整体优化设计。建筑物总体高度39.9m，底层层高3.6m，其余层层高3.3m，全部使用C30混凝土，楼面恒荷载取5 kN/m2、活荷载5 kN/m2，梁上荷载取20 kN/m2，基本风压为0.55 kN/m2，地面粗糙程度为C级，场地土类别为Ⅱ类，地震分组为第一组，加速度取0.1g，结构阻尼比0.05。

6.2 采用优化措施的设计效果

下表1 所列为使用了本文所阐述的优化设计方法完成本结构的优化设计后底层柱内力结果，数据显示优化后的结构柱端轴力和柱端弯矩明显有所降低，适当的乘以富于系数即可在满足结构安全性的前提下实现该多高层建筑的经济效益。

表1 底层柱的内力结果

结语

随着建筑体量的不断扩大，对建筑结构采取合理的优化设计已经逐渐成为研究重点。从工程实践情况表明，对结构优化主要是从结构体系设计及其结构计算方法入手。结构体系上优化就是要使多高层建筑的结构体系需要保证传力途径的明晰化，使得作用于结构上部的水平和竖向荷载可以直接传向基础，从多类型的结构体系选择进行荷载抗力优化处理，接着从整体性角度提高结构性能，通过结构体系和算法手段，实际操作表明优化效果明显。而结构计算方法优化就是对结构设计采取有效的数学计算优化方法，运用计算机程序技术进行结构的算法优化设计，如较为先进的有最优准则法和遗传算法。

参考文献：

[1] 沈汝伟．对建筑结构优化设计的探讨[J]．铁道科学与工程学报，2011，28（12）：118~119．

[2] 何飞平 ．浅析建筑工程中建筑结构优化设计[J]．知识经济，2009，27（11）：31~33．

[3] 侯贯泽，刘树堂，简国威．工程结构优化设计理论与方法[J]．钢结构，2009，31（08）：57~58．

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。