【摘要】建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化對建筑整體的穩(wěn)定性、可靠性、耐久性有非常重要的作用。文章針對建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的主要因素，以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法等方面做簡要的分析，以提高建筑結(jié)構(gòu)的整體的穩(wěn)定性、耐久性等性能。

【關(guān)鍵詞】結(jié)構(gòu)設(shè)計；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；結(jié)構(gòu)類型

0引言

建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化，即在一些建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案中選取最優(yōu)的或最適宜的設(shè)計方案，它參照數(shù)學中的模型最優(yōu)化原理應(yīng)用到建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的優(yōu)化比選中。研究發(fā)現(xiàn)，建筑結(jié)構(gòu)在使用過程中是否穩(wěn)定、耐久、合理等，主要決定于在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時選定的結(jié)構(gòu)類型是否最優(yōu)、是否最符合工程結(jié)構(gòu)的需要。對于同一座建筑工程項目，不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計師知識儲備不同，因此可能會設(shè)計出不同的結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)體系，但經(jīng)過結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化、從而選取最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)類型，提高建筑結(jié)構(gòu)的使用壽命、穩(wěn)定性能。

1建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要因素

1.1荷載設(shè)計

研究發(fā)現(xiàn)，任何一座建筑結(jié)構(gòu)都需要受到水平力和豎向荷載的作用，同時建筑還要承受較大的風荷載、地震力的作用等。當建筑結(jié)構(gòu)的整體高度比較低時，由結(jié)構(gòu)本身的重力引起的豎向荷載對結(jié)構(gòu)的作用比較明顯，而水平荷載作用在結(jié)構(gòu)上，產(chǎn)生的內(nèi)力和位移比較小，往往在計算時不考慮水平荷載的作用；若在較高層建筑設(shè)計中，雖然所受到的豎向荷載仍對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大程度的影響，但水平荷載對建筑結(jié)構(gòu)本身的影響比豎向荷載產(chǎn)生的影響更加強烈。研究表明，隨著建筑結(jié)構(gòu)整體高度的逐漸增加，水平荷載對建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響越將會越來越大，因此，在建筑結(jié)構(gòu)高度較高時，結(jié)構(gòu)所承受的水平荷載對結(jié)構(gòu)的影響則不可忽視。

1.2選取結(jié)構(gòu)類型較輕的

在建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，要盡量選取結(jié)構(gòu)體較輕的。在現(xiàn)代結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中，設(shè)計人員越來越重視選用輕質(zhì)高強材料，從而做大程度上減輕整體結(jié)構(gòu)的自重。由于在多層建筑結(jié)構(gòu)中，水平荷載對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響處于較次要地位，結(jié)構(gòu)所承受的主要荷載是豎向荷載。由于多層建筑樓層較少，整體高度相對比較低，結(jié)構(gòu)自重相對來說較輕，對材料的強度要求不是特高。

但隨著建筑結(jié)構(gòu)高度的增加，在較多的樓層作用下，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的自重荷載則會比較大，使得建筑結(jié)構(gòu)對基礎(chǔ)產(chǎn)生較大的豎向荷載，同時在水平荷載的作用下，結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件（柱）中會產(chǎn)生較大的水平剪力和附加軸力。為了使得結(jié)構(gòu)滿足剛度和強度的要求，通常采取加大結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸，但是加大構(gòu)件的截面尺寸會使得結(jié)構(gòu)的整體自重增加。因此在高層建筑結(jié)構(gòu)首先應(yīng)該考慮如何減輕結(jié)構(gòu)的自重。

研究表明，當在高層或超高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計時，選用結(jié)構(gòu)強度高、自重較輕的鋼結(jié)構(gòu)、高強混凝土結(jié)構(gòu)可以很大程度上減小建筑結(jié)構(gòu)的自重。

1.3 側(cè)向位移

據(jù)相關(guān)資料表明，建筑結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移隨著建筑高度的增加而逐漸增大，因此，在建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計中，對層數(shù)較少、高度較低的結(jié)構(gòu)，可以不考慮其側(cè)向位移對結(jié)構(gòu)的影響。但隨建筑結(jié)構(gòu)高度的增加，整體結(jié)構(gòu)的側(cè)移對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響則不可忽視。

研究表明，由于水平荷載對結(jié)構(gòu)作用產(chǎn)生的側(cè)移隨著建筑高度的增加而逐漸增大，且側(cè)移量與結(jié)構(gòu)高度成一定的關(guān)系。

在進行高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計時，既需要充分考慮建筑結(jié)構(gòu)整體是否具有足夠的承載能力，能否承受風荷載的沖擊作用，又要求結(jié)構(gòu)具有足夠的抗側(cè)移性能，當建筑結(jié)構(gòu)受到較大的水平力作用下，其可以很好地控制產(chǎn)生過大的側(cè)移量，確保結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性能。

與低層或多層建筑相比，高層建筑結(jié)構(gòu)的剛度稍微差一些，在發(fā)生地震災(zāi)害時，結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形更大。為了確保高層建筑結(jié)構(gòu)在進入塑性階段后，結(jié)構(gòu)整體仍具有較強的抗側(cè)移性能，保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，則需要在高層建筑結(jié)構(gòu)的構(gòu)造上采取合適的措施，確保結(jié)構(gòu)具有足夠的延性，從而滿足結(jié)構(gòu)的剛度要求。

2建筑優(yōu)化方法綜述

2.1基本假設(shè)

（1）彈性體假設(shè)

目前，對建筑結(jié)構(gòu)進行工程分析時，均采用彈性的分析方法。當結(jié)構(gòu)受到風荷載或豎向荷載時，假設(shè)結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，符合建筑結(jié)構(gòu)的實際受力狀態(tài)。但是當受到地震災(zāi)害或臺風襲擊時，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的側(cè)向位移，更甚出現(xiàn)裂縫，使得結(jié)構(gòu)進入到塑性階段，此時不可以再用彈性變形計算，應(yīng)采用彈塑性理論進行分析。

（2）小變形假設(shè)

小變形假設(shè)普遍應(yīng)用于結(jié)構(gòu)變形分析中。但當結(jié)構(gòu)頂點的水平位移與結(jié)構(gòu)的高度比值大于0.002時，就不可以忽略P—Δ效應(yīng)對結(jié)構(gòu)的影響了。

（3）剛性樓板假設(shè)

在高層建筑結(jié)構(gòu)分析時，假設(shè)樓板的自身平面內(nèi)剛度無限大，而自身平面外的剛度則忽略不進行計算。采用這一假設(shè)，在很大程度上減少了高層建筑結(jié)構(gòu)位移的自由度，減小了計算的難度，并為筒體結(jié)構(gòu)采用空間薄壁桿的計算理論提供了保障。研究發(fā)現(xiàn)，剛性樓板假設(shè)一般適用于框架結(jié)構(gòu)體系和剪力墻結(jié)構(gòu)體系中。

2.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法

（1）并行算法

由于高層建筑結(jié)構(gòu)的主要因素是結(jié)構(gòu)的抵抗水平力的性能。因此，抗側(cè)移性能的強弱成為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵因素，且是衡量建筑結(jié)構(gòu)安全性、穩(wěn)定性能的標準。

由于在建筑結(jié)構(gòu)中，單位建筑結(jié)構(gòu)面積的結(jié)構(gòu)材料中，用于承擔重力荷載的結(jié)構(gòu)材料用量與房屋的層數(shù)近似成正比例線性關(guān)系。此外，用于建筑結(jié)構(gòu)樓頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)材料用量幾乎是定值，不隨結(jié)構(gòu)的層數(shù)變化；但是用于墻、柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的材料用量隨樓房的層數(shù)成線性正比例增加；而對于抵抗側(cè)向移動的結(jié)構(gòu)材料用量，與樓房結(jié)構(gòu)層數(shù)的二次方的關(guān)系增長。圖3-1表示在風荷載作用下的5跨鋼框架結(jié)構(gòu)，不同的結(jié)構(gòu)層數(shù)結(jié)構(gòu)材料各個構(gòu)件用量。

研究表明，樓房結(jié)構(gòu)所采用的結(jié)構(gòu)體系是否具有較好的抗側(cè)力性能，在很大程度上影響結(jié)構(gòu)材料的用量，綜合考慮各方面的條件，通過精心設(shè)計確定結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計方案，使結(jié)構(gòu)體系的材料用量降低到最小程度。從上圖中的虛線以上陰影部分就是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計節(jié)約的鋼材用量，因此高層建筑結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計可以在很大程度上節(jié)約工程的總造價。

（2可靠度優(yōu)化法

在建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計時，必須進行結(jié)構(gòu)的整體可靠度優(yōu)化。在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生不活躍的地區(qū)，風荷載是主要的水平荷載。因此，在非地震災(zāi)害區(qū)高層建筑結(jié)構(gòu)的方案選型時，應(yīng)優(yōu)先選用抗風性能比較好的結(jié)構(gòu)體系，也就是選用風壓體型系數(shù)較小的建筑結(jié)構(gòu)體系。比如結(jié)構(gòu)外形呈曲線流線型變化的建筑結(jié)構(gòu)圓形、橢圓形等，或是結(jié)構(gòu)從下往上逐漸減小的截錐形體系的風壓體形系數(shù)較小，有利于很好地抗風。此外，在對結(jié)構(gòu)進行平面布置時，適合選取結(jié)構(gòu)平面形狀和結(jié)構(gòu)剛度分布均勻?qū)ΨQ的結(jié)構(gòu)體系類型，這樣可以在很大程度上減小風荷載作用下的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)引起的結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力的影響。同時，還要限制高層建筑結(jié)構(gòu)的高寬比，避免結(jié)構(gòu)發(fā)生傾覆和失穩(wěn)現(xiàn)象。

（3）高層體系優(yōu)化法

由于建筑使用性能的不同，所以其對內(nèi)部空間的要求不同。同時，高層建筑結(jié)構(gòu)使用功能不同，則其平面布置也發(fā)生改變。通常，住宅和旅館的客房等宜采用小空間平面布置方案；辦公樓則適合采用大小空間均有；商場、飯店、展覽廳以及工廠廠房等則適宜采用大空間的的平面布置；宴會廳、舞廳則要求結(jié)構(gòu)內(nèi)部沒有柱子的大空間。由于不同的結(jié)構(gòu)體系可以提供的內(nèi)部空間的大小不同，因此，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，應(yīng)該首先根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的使用功能，選用合適的結(jié)構(gòu)類型。

3結(jié)束語

綜上所述，在確定高層建筑結(jié)構(gòu)方案時，要全面考慮結(jié)構(gòu)的使用功能、場地類別、設(shè)防烈度、建筑高度、地基基礎(chǔ)類型、結(jié)構(gòu)材料和施工工藝，同時還要考慮結(jié)構(gòu)的設(shè)計、技術(shù)以及經(jīng)濟保障等，選擇最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)體系。

參考文獻

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