當(dāng)前高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、<p>　　當(dāng)前高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)</p><p>　　摘要：高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是在滿足安全、適用、耐久、經(jīng)濟(jì)和施工可行的要求下，按有關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，通過(guò)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行總體布置、技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析、計(jì)算、構(gòu)造和制圖工作，有效降低開(kāi)發(fā)商的成本，在確保建筑整體質(zhì)量達(dá)到規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，使建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠滿足客戶(hù)的諸多需求。本文根據(jù)筆者工作實(shí)踐，對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)類(lèi)型、設(shè)計(jì)原則進(jìn)行了探討，針對(duì)高層鋼筋混凝土框

2、架- 剪力墻結(jié)構(gòu), 提出了高層框- 剪結(jié)構(gòu)的三階段分部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)策略, 設(shè)計(jì)結(jié)果使結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力分布更均勻、設(shè)計(jì)更合理,并結(jié)合某高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了實(shí)證。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：高層建筑 結(jié)構(gòu) 特點(diǎn) 設(shè)計(jì) 原則 要求 </p><p>　　中圖分類(lèi)號(hào)： TU97 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A </p><p><b>　　正文： </b></

3、p><p>　　一、高層建筑結(jié)構(gòu)類(lèi)型 </p><p>　　高層建筑結(jié)構(gòu)體系按照結(jié)構(gòu)形式可以分為框架、剪力墻結(jié)構(gòu)，框架結(jié)構(gòu)，剪力墻結(jié)構(gòu)?？蚣芙Y(jié)構(gòu)因?yàn)槭抢弥?、梁等結(jié)構(gòu)來(lái)承重的，所以這種結(jié)構(gòu)體系的側(cè)向位移相對(duì)較大，一般適用于低于50m的建筑。剪力墻結(jié)構(gòu)因?yàn)槭强扛邔咏ㄖ膲w來(lái)承重的，所以這種結(jié)構(gòu)的整體性能相對(duì)較好，不易產(chǎn)生水平方向的變形，一般多應(yīng)用于高層建筑，但是因?yàn)槠湓谄矫嫔系牟贾貌粔蜢`活，所

4、以很少在公共建筑設(shè)計(jì)中使用。而框架、剪力墻組合結(jié)構(gòu)則是結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)、改善了其中的缺點(diǎn)，所以被廣泛應(yīng)用于高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。 </p><p>　　二、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則 </p><p>　　2.1 選擇合適的基礎(chǔ)方案 </p><p>　　現(xiàn)在的設(shè)計(jì)一大特色就是不能因工程而破壞周邊的環(huán)境，而改變的周邊的生態(tài)環(huán)境。一切的工程圍繞環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)施工，使工程與自然

5、很好的融入到一起，使得兩者和諧共存。在基礎(chǔ)方案的設(shè)計(jì)中，要把所有的相關(guān)因素全部的包括在內(nèi)，綜合各方面的因素，再考慮經(jīng)濟(jì)性對(duì)工程進(jìn)行整體的評(píng)估，然后對(duì)方案進(jìn)行正式的審核，最后施工，一切立足由可持續(xù)發(fā)展的觀念進(jìn)行施工，工程的質(zhì)量一定會(huì)得以保障。 </p><p>　　2.2 選擇合理的結(jié)構(gòu)方案 </p><p>　　高層建筑作為近幾年剛剛興起的一門(mén)學(xué)科，具有很復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在施工的過(guò)程中要考

6、慮的方面很多，像是供水問(wèn)題、線路等各方面都是我們要考慮的。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中重要的有以下幾點(diǎn)：材料的要求、施工的環(huán)境、還要充分的考慮抗擊自然災(zāi)害的能力。我們要嚴(yán)格的遵循平面和豎直的設(shè)計(jì)原則。結(jié)構(gòu)方案不僅僅是施工單位一方的事情，施工單位與使用方要達(dá)成一致，在設(shè)計(jì)方面以及今后的發(fā)展方向要進(jìn)行詳細(xì)的展望，為了所選取得結(jié)構(gòu)方案更加的合理，最大限度的達(dá)到預(yù)期的目的。 </p><p>　　三、工程設(shè)計(jì)案例分析 </p&g

7、t;<p>　　某高層建筑設(shè)計(jì)使用功能為餐飲、辦公一體屬綜合性公共建筑。地下 2 層，裙樓 4 層，裙樓上南、北兩塔樓分別高 19 層(72.5m)、25 層(90.5m)。兩塔樓于 17、18、19 層連體（結(jié)構(gòu)上為兩塔樓分別懸挑梁處理）。 </p><p>　　1. 結(jié)構(gòu)承重體系設(shè)計(jì) </p><p>　　根據(jù)國(guó)家抗震區(qū)劃圖, 待設(shè)計(jì)建筑地區(qū)的基本烈度為七度,相應(yīng)地主樓結(jié)

8、構(gòu)部分的抗震等級(jí)為二級(jí), 裙樓部分的抗震等級(jí)為三級(jí)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中裙房部分主要考慮由恒載及使用活荷載等豎向荷載引起的荷載效應(yīng), 主樓部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅考慮豎向荷載效應(yīng), 還要考慮水平地震作用及風(fēng)荷載作用下產(chǎn)生的荷載效應(yīng)的組合。綜合考慮裙樓部分大空間的設(shè)計(jì)使用要求以及主樓部分的抗側(cè)移設(shè)計(jì)要求, 裙房結(jié)構(gòu)承重體系采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)形式,主樓采用框架- 剪力墻承重結(jié)構(gòu)體系。本建筑結(jié)構(gòu)在主樓抗側(cè)力構(gòu)件設(shè)計(jì)中, 剪力墻主要承擔(dān)水平作用,框架承擔(dān)少部

9、分水平荷載作用和大部分豎向荷載作用。主樓平面形狀基本上為正方形,因樓梯、電梯間均設(shè)置在核心筒內(nèi),為提高主樓結(jié)構(gòu)的抗扭能力,剪力墻結(jié)合樓電梯間在主樓范圍內(nèi)采取了加強(qiáng)處理, 具體厚度根據(jù)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的變形限值,由剛度、承載力和延性三者間的最佳匹配決定。 </p><p>　　2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)策略 </p><p>　　鋼筋混凝土框架- 剪力墻結(jié)構(gòu)是高層建筑結(jié)構(gòu)中最常采用的承載體系之一,它同

10、時(shí)具有框架結(jié)構(gòu)建筑平面布置靈活,能獲得大空間,建筑立面易于處理,以及剪力墻結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度大、整體性好、抗震能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。在水平荷載作用下,具有較純框架和純剪力墻結(jié)構(gòu)更為有利的水平變形曲線。但鋼筋混凝土框- 剪結(jié)構(gòu)是一個(gè)具有雙重承載體系的非常復(fù)雜的空間受力體系,力學(xué)分析難度較大,其優(yōu)化設(shè)計(jì)就更為復(fù)雜和難以實(shí)現(xiàn)。所以,筆者以下謹(jǐn)通過(guò)已有的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)提出步驟性的建議，不作深入的學(xué)術(shù)探討。 </p><p>　　2.1

11、 框架結(jié)構(gòu)的分部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù) </p><p>　　鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)屬于具有多個(gè)多余約束的超靜定結(jié)構(gòu),其荷載效應(yīng)不僅與外荷載大小有關(guān), 還與結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料特征、幾何構(gòu)造特征有關(guān)。鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的分部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì),即是在結(jié)構(gòu)整體內(nèi)力分析完成后,根據(jù)梁柱各構(gòu)件的控制內(nèi)力進(jìn)行截面優(yōu)化設(shè)計(jì),確定滿足荷載效應(yīng)水平要求的各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的幾何特征和配筋量的優(yōu)化結(jié)果,由此導(dǎo)致原結(jié)構(gòu)的幾何特征和荷載特征發(fā)生變化, 優(yōu)化結(jié)構(gòu)在現(xiàn)荷載作

12、用下內(nèi)力分布特征發(fā)生變化,各構(gòu)件控制截面上的控制內(nèi)力也發(fā)生相應(yīng)變化,據(jù)此再進(jìn)行新一輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此框架結(jié)構(gòu)的分部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)際上是一個(gè)迭代、漸進(jìn)的尋優(yōu)過(guò)程, 計(jì)算結(jié)果雖不總能等價(jià)于整體優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果,但通常能給出工程實(shí)用的滿意結(jié)果。鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的分部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)方法的具體步驟為: </p><p>　?。?）初始選型:根據(jù)結(jié)構(gòu)平面、立面布置及建筑物設(shè)計(jì)使用功能,分析結(jié)構(gòu)所受的豎向荷載和水平荷載及其傳力路線,并考慮

13、施工因素,歸并框架梁、柱的類(lèi)型,初選梁柱的幾何尺寸; </p><p>　?。?）結(jié)構(gòu)分析:按照結(jié)構(gòu)的實(shí)際幾何構(gòu)造特征,計(jì)算結(jié)構(gòu)所受豎向荷載及水平荷載,對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間內(nèi)力分析。根據(jù)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果,將截面尺寸相同的構(gòu)件的控制截面內(nèi)力,根據(jù)其大小進(jìn)行分類(lèi),并確定每一類(lèi)構(gòu)件的設(shè)計(jì)控制內(nèi)力; </p><p>　?。?）截面優(yōu)化設(shè)計(jì):針對(duì)每一種梁柱構(gòu)件的控制內(nèi)力進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì), 得出優(yōu)化約束

14、條件下的結(jié)構(gòu)幾何構(gòu)造特征和配筋特征的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果,從而構(gòu)成新的優(yōu)化意義上的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu); </p><p>　?。?）收斂性判斷:在工程精度意義上選取一個(gè)較小的數(shù)值,作為檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)收斂性的條件,進(jìn)行收斂性判斷。若優(yōu)化結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)基本一致,則認(rèn)為優(yōu)化結(jié)構(gòu)是收斂的,可以轉(zhuǎn)入下一步的可行性判斷,否則轉(zhuǎn)回第②步重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì); </p><p>　　2.2 框- 剪結(jié)構(gòu)的三階段優(yōu)化設(shè)計(jì)策略

15、</p><p>　　框- 剪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要涉及 3 個(gè)方面的優(yōu)化問(wèn)題:①結(jié)構(gòu)最優(yōu)設(shè)防水平的決策,②框架與剪力墻結(jié)構(gòu)協(xié)同工作,以及承載力、剛度與延性變形能力間的最佳匹配設(shè)計(jì),③框架- 剪力墻結(jié)構(gòu)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題。 </p><p>　　高層框- 剪結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的協(xié)同工作問(wèn)題,主要是水平荷載在框架和剪力墻結(jié)構(gòu)之間的分配設(shè)計(jì), 因此剪力墻數(shù)量和位置的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵問(wèn)題。這里,我們將框-

16、剪結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程分為三個(gè)階段進(jìn)行,對(duì)不同階段的不同問(wèn)題,采取不同的優(yōu)化準(zhǔn)則進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 </p><p>　　2.2.1 第一階段:最優(yōu)設(shè)防水平 Id的優(yōu)化決策 </p><p>　　根據(jù)地震危險(xiǎn)性分析結(jié)果或地震區(qū)劃規(guī)定, 在預(yù)測(cè)地震烈度概率分析基礎(chǔ)上, 用模糊綜合評(píng)判法計(jì)算結(jié)構(gòu)的模糊延性向量和模糊抗震強(qiáng)度、損傷等級(jí)概率和震害損失的預(yù)估期望值 E(Id),在滿足最大投資約束和最大損失

17、約束條件下,使 k1C(Id)+k2k3E(Id)達(dá)到最小,求出最優(yōu)抗震設(shè)防烈度 Id。 </p><p>　　2.2.2 第二階段:剪力墻構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì) </p><p>　　剪力墻結(jié)構(gòu)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是結(jié)構(gòu)剛度與延性指標(biāo)的最佳組合,可用力學(xué)準(zhǔn)則進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)構(gòu)剛度對(duì)結(jié)構(gòu)的影響主要為結(jié)構(gòu)的自振周期和側(cè)向位移, 結(jié)構(gòu)延性對(duì)結(jié)構(gòu)的影響主要為保持承載力前提下的變形能力。因此,可用結(jié)構(gòu)整體的側(cè)向

18、位移量來(lái)協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)的剛度和延性。我們根據(jù)高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)層間位移和頂點(diǎn)總側(cè)移的限值來(lái)控制結(jié)構(gòu)的剛度設(shè)計(jì)和延性設(shè)計(jì)。 </p><p>　　2.2.3 第三階段:框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì) </p><p>　　框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是一個(gè)結(jié)構(gòu)準(zhǔn)則, 在一次整體分析完成之后,可按照前述方法對(duì)框- 剪結(jié)構(gòu)中的框架部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 </p><p><b>　　四

19、、結(jié)語(yǔ) </b></p><p>　　總而言之，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法多種多樣，但是不論使用哪一種方法都要建立在施工的可行性的基礎(chǔ)之上，施工技術(shù)必須嚴(yán)格依照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，如果出現(xiàn)施工不可行的情況下，重新審視設(shè)計(jì)規(guī)范。高層建筑混凝土施工技術(shù)是科學(xué)元素和技術(shù)元素的融合和應(yīng)用，它的實(shí)現(xiàn)過(guò)程必然需要建筑施工各環(huán)節(jié)基礎(chǔ)技術(shù)的支持和管理理論的強(qiáng)化。所以，設(shè)計(jì)與施工的相輔相成才是實(shí)現(xiàn)合理、科學(xué)節(jié)約成本的有效措

20、施。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1] 孫 凱.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問(wèn)題及對(duì)策探討[J].價(jià)值工程，2011（06）. </p><p>　　[2] 周 敏.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)問(wèn)題分析[J].知識(shí)經(jīng)濟(jì)，2012（08）. </p><p>　　[3] 廖 勇.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相