李育凝

(墨爾本大學(xué) 工程與信息技術(shù)學(xué)院，墨爾本 澳大利亞 3010)

0 前 言

21世紀(jì)以來，我國(guó)城市化進(jìn)程加快，高層建筑的數(shù)量、高度、復(fù)雜程度等不斷增加，給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來挑戰(zhàn)。高層建筑結(jié)構(gòu)是保障建筑體安全性與穩(wěn)定性的基石，涉及的學(xué)科及研究方向廣泛，近些年研究進(jìn)展的文章較少。本文運(yùn)用知識(shí)圖譜對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的文獻(xiàn)進(jìn)行可視化分析，揭示高層建筑結(jié)構(gòu)文獻(xiàn)中的機(jī)構(gòu)、熱點(diǎn)、主題聚類等，展示高層建筑結(jié)構(gòu)研究的發(fā)展?fàn)顩r和發(fā)展趨勢(shì)，為高層建筑結(jié)構(gòu)的深入研究、實(shí)踐探索和該領(lǐng)域項(xiàng)目的推進(jìn)提供參考。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)來源于CNKI，來源類別選擇SCI、EI、核心期刊、CSSCI以及CSCD。以主題SU=“高層建筑”*“結(jié)構(gòu)”為檢索表達(dá)式；起始時(shí)間不限，截止時(shí)間為2019年12月31日。對(duì)初步檢索的文獻(xiàn)進(jìn)行人工篩選與整理，剔除主題與高層建筑結(jié)構(gòu)無關(guān)及重復(fù)等文獻(xiàn)，最終獲得質(zhì)量較高的3 236條文獻(xiàn)，同時(shí)對(duì)原始文獻(xiàn)中名稱不同，意思相同的關(guān)鍵詞予以統(tǒng)一，增強(qiáng)了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1.2 研究方法

CiteSpace分析步驟如下：將CNKI中導(dǎo)出的Refworks格式的文件轉(zhuǎn)化為CiteSpace可識(shí)別的數(shù)據(jù)格式；運(yùn)行CiteSpace，時(shí)間跨度設(shè)置為1992～2019年，間隔為1年；主題聚類詞來源選擇標(biāo)題、摘要、關(guān)鍵詞與關(guān)鍵詞累加，采用聚類靜態(tài)和展示整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的可視化方式呈現(xiàn)最終分析圖譜。

2 時(shí)空知識(shí)圖譜及其分析

2.1 時(shí)間分布圖譜

1992—2019年,每年高層建筑結(jié)構(gòu)文獻(xiàn)的發(fā)表數(shù)量及趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)分析見圖1。高層建筑結(jié)構(gòu)的研究在1992年已經(jīng)開展，發(fā)文量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，關(guān)注度逐年提升，表明研究處于發(fā)展階段，2002年前文獻(xiàn)增長(zhǎng)較緩。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高層建筑的需求增加，文獻(xiàn)數(shù)量快速增長(zhǎng)，2016年達(dá)到峰值233篇，表明研究進(jìn)入成熟期。

圖1 研究文獻(xiàn)的時(shí)間分布

2.2 空間分布圖譜

高層建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域發(fā)文量排名前20的機(jī)構(gòu)見圖2。前20的機(jī)構(gòu)中有14所高等院校，4所科研及設(shè)計(jì)院所和2家建筑企業(yè)，研究主體以高等院校為主；同濟(jì)大學(xué)發(fā)文量遠(yuǎn)超其他機(jī)構(gòu)，研究實(shí)力雄厚；研究機(jī)構(gòu)包括教學(xué)、科研、設(shè)計(jì)、施工等，表明高層建筑結(jié)構(gòu)研究關(guān)注的重點(diǎn)既有理論層面的研究，也有實(shí)踐應(yīng)用的探討，顯示我國(guó)高層建筑結(jié)構(gòu)研究受到多部門、多機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注。

圖2 發(fā)文量排名前20的機(jī)構(gòu)

采用CiteSpac考察不同機(jī)構(gòu)間合作情況，生成高層建筑結(jié)構(gòu)研究的機(jī)構(gòu)合作圖譜，見圖3。

圖3 研究機(jī)構(gòu)的合作圖譜

節(jié)點(diǎn)大小代表發(fā)文量，節(jié)點(diǎn)環(huán)表示年份；節(jié)點(diǎn)的外圈代表該節(jié)點(diǎn)為核心節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)連線表示機(jī)構(gòu)間有合作關(guān)系，連線的粗細(xì)代表機(jī)構(gòu)間合作發(fā)文量的多少，節(jié)點(diǎn)、連線的顏色對(duì)應(yīng)了發(fā)文年代的顏色。圖中機(jī)構(gòu)間連線較多，表明產(chǎn)學(xué)研機(jī)構(gòu)合作緊密，且機(jī)構(gòu)間合作地域特征明顯。中心性排名前20的機(jī)構(gòu)見表1。

表1 中心性排名前20的高頻關(guān)鍵詞

合作圖譜顯示機(jī)構(gòu)間存在著較強(qiáng)的合作關(guān)系。中心性大于0.1的機(jī)構(gòu)為同濟(jì)大學(xué)、中國(guó)建筑科學(xué)研究院和清華大學(xué)，它們?cè)谘芯恐衅鹨I(lǐng)作用。中心性最強(qiáng)的為同濟(jì)大學(xué)，發(fā)文量和中心性均領(lǐng)先其他機(jī)構(gòu)，合作機(jī)構(gòu)主要分布在我國(guó)華東地區(qū)及中國(guó)香港、日本等國(guó)家和地區(qū)，形成了具凝聚力的科研群體。中國(guó)建筑科學(xué)研究院致力于解決關(guān)鍵技術(shù)問題，制定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,主要與同濟(jì)大學(xué)、清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高等院校以及國(guó)家、省部級(jí)科研、設(shè)計(jì)院所和大型施工集團(tuán)等有密切合作，其合作范圍較廣，影響力強(qiáng)。清華大學(xué)的合作機(jī)構(gòu)主要分布在華北地區(qū)。各個(gè)機(jī)構(gòu)對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)的不同側(cè)面進(jìn)行深入實(shí)踐研究，使得高層建筑結(jié)構(gòu)的研究成果更加全面豐富。

3 內(nèi)容知識(shí)圖譜及其分析

高層建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)容知識(shí)圖譜展示出共現(xiàn)的高頻詞，中心性強(qiáng)的核心節(jié)點(diǎn)，關(guān)鍵詞的聚類情況和突變?cè)~的發(fā)展變化。

3.1 核心節(jié)點(diǎn)和熱點(diǎn)

采用CiteSpac考察關(guān)鍵詞共現(xiàn)的高頻詞，中心性強(qiáng)的核心節(jié)點(diǎn)，生成高層建筑結(jié)構(gòu)研究的關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜，見圖4，頻次、中心性及年份見表2。

圖4 關(guān)鍵詞的共現(xiàn)圖譜

表2 頻次排名前20的關(guān)鍵詞

頻次較高的“高層建筑”“超高層建筑”“超限高層建筑”代表高層建筑的3種建筑形式，是高層建筑結(jié)構(gòu)研究中關(guān)注的熱點(diǎn)和核心節(jié)點(diǎn)。3個(gè)關(guān)鍵詞節(jié)點(diǎn)圓和連線顏色的深淺，表明被關(guān)注年代的先后順序，其中高層建筑研究出現(xiàn)較早，且一直是研究關(guān)注的對(duì)象；超限高層建筑的研究較晚，多與新的設(shè)計(jì)、分析技術(shù)等相關(guān)聯(lián)。

“有限元分析”是處理力學(xué)和工程問題的有效工具，它的頻次和中心性也較高，表明有限元分析是高層建筑結(jié)構(gòu)分析的主要方法。

“鋼結(jié)構(gòu)”在高層建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多；“風(fēng)荷載”“結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”隨著高層建筑結(jié)構(gòu)的發(fā)展，要求愈加詳細(xì)和重要，是高層建筑結(jié)構(gòu)研究中必要的組成部分；同時(shí)高層建筑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量需要良好的“施工技術(shù)”的保障；這些關(guān)鍵詞構(gòu)成研究中關(guān)注的熱點(diǎn)、核心節(jié)點(diǎn)，在研究中起著聯(lián)系和引領(lǐng)作用。

“抗震設(shè)計(jì)”“抗震性能”的研究，在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的比重不斷增加，“抗震性能設(shè)計(jì)”頻次高，是高層建筑結(jié)構(gòu)研究的熱點(diǎn)。

“ABAQUS”“SATWE”“ETAB”“風(fēng)洞試驗(yàn)”“振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)”和“彈塑性分析”均是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用的方法，“ABAQUS”“SATWE”中心性較高，表明在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用較廣，在研究中起著聯(lián)系作用。

3.2 關(guān)鍵詞的聚類研究

在關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜的基礎(chǔ)上生成關(guān)鍵詞共現(xiàn)聚類圖譜，見圖5。聚類圖譜較直觀地反映高層建筑結(jié)構(gòu)研究的主要內(nèi)容。經(jīng)過分析，將國(guó)內(nèi)高層建筑結(jié)構(gòu)研究?jī)?nèi)容歸結(jié)為五個(gè)方面。

圖5 關(guān)鍵詞共現(xiàn)聚類圖譜

3.2.1 抗風(fēng)減震技術(shù)

風(fēng)荷載是影響高層建筑安全性與舒適性的主要因素。隨著建筑高度不斷增加，超高層結(jié)構(gòu)的自振頻率接近脈動(dòng)風(fēng)的頻率，風(fēng)振下結(jié)構(gòu)的加速度較大，易引起舒適度問題；同時(shí)高層建筑的高度會(huì)對(duì)風(fēng)力產(chǎn)生一定的干擾，阻礙自然風(fēng)的流動(dòng)，當(dāng)建筑周圍的氣流發(fā)生變化時(shí)，會(huì)受到建筑之間的間距、高度、數(shù)量等的影響而產(chǎn)生狹管效應(yīng)，進(jìn)而改變流動(dòng)和動(dòng)能效應(yīng)，也對(duì)高層建筑產(chǎn)生動(dòng)力荷載。

建筑形態(tài)是超高層建筑結(jié)構(gòu)中抗風(fēng)的重要的控制因素。對(duì)建筑形態(tài)的空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化，可減小結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載，控制建筑舒適度，降低了結(jié)構(gòu)造價(jià)[1-2]。數(shù)值模擬是抗風(fēng)常用的方法[3]。某帶多道伸臂桁架的超高層建筑，采用兩個(gè)并聯(lián)的粘滯阻尼器豎向布置于伸臂桁架，以增加阻尼器的耗能，減振結(jié)構(gòu)可以明顯減小結(jié)構(gòu)的層間側(cè)移，控制了結(jié)構(gòu)在風(fēng)振下過大的加速度響應(yīng)，提高了減振效率[4]。

3.2.2 抗震減震技術(shù)

地震動(dòng)可引起高層建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)，尤其是超高層建筑結(jié)構(gòu)自振周期較長(zhǎng)，對(duì)長(zhǎng)周期地震動(dòng)更加敏感，結(jié)構(gòu)容易發(fā)生破壞，可采用消震、隔震、減震等抗震技術(shù)。如采用滑板支座、鉛芯橡膠復(fù)位裝置相結(jié)合的新型組合隔震系統(tǒng)，利用滑板支座承擔(dān)大的豎向荷載，鉛芯橡膠復(fù)位裝置不承受面壓，復(fù)位裝置最大變形值得以放寬，能保證隔震的有效性，具有較好的減震性能[5]。

消能減震結(jié)構(gòu)采用減震結(jié)構(gòu)和相應(yīng)措施，降低建筑物主體結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，減輕震致破壞。郭彥等[6]采用位移放大型阻尼器，通過放大阻尼器兩端相對(duì)位移和相對(duì)速度來提高阻尼力，從而提高其耗能能力。國(guó)巍等[7]研究了3類典型阻尼器的減震控制效果，結(jié)果表明，速度型的粘滯阻尼器控制效果最優(yōu)，位移型的摩擦阻尼器和防屈曲支撐次之，且性能相近。周云等[8]針對(duì)布置有84個(gè)黏滯阻尼器的消能減震結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行分析，結(jié)果表明消能減震結(jié)構(gòu)的樓層剪力、樓層彎矩、樓層位移及層間位移角均減小20%以上，具有良好的減震效果。

粘滯阻尼墻是一種性能良好的消能減震部件。朱圣妤等[9]通過比較黏滯阻尼墻的不同布置方式對(duì)結(jié)構(gòu)附加阻尼比、地震響應(yīng)、雙塔相對(duì)變形等指標(biāo)的影響，表明粘滯阻尼墻可為結(jié)構(gòu)提供附加阻尼，耗散震動(dòng)能量，減小結(jié)構(gòu)響應(yīng)，達(dá)到減震效果。

3.2.3 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)是水平荷載為決定因素，同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)的軸向變形，結(jié)構(gòu)側(cè)移是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素，結(jié)構(gòu)延性是重要設(shè)計(jì)指標(biāo)。目前高層建筑結(jié)構(gòu)分析方法均采用彈性的計(jì)算方法，并從彈性分析發(fā)展到彈塑性分析，從靜力非線性分析發(fā)展到動(dòng)力非線性分析，分析時(shí)大多采用機(jī)算方法。

當(dāng)前超限高層建筑工程中采用基于性能的抗震設(shè)計(jì)?；谛阅芤蟮目拐鹪O(shè)計(jì)方法是按使用功能類別及遭遇地震影響的程度、提出多個(gè)預(yù)期的性能目標(biāo)，包括結(jié)構(gòu)的、非結(jié)構(gòu)的、設(shè)施的各種具體性能指標(biāo)；由業(yè)主選擇具體工程的預(yù)期目標(biāo)。在實(shí)施中除滿足基本要求外，需提出符合預(yù)期性能要求的論證，包括結(jié)構(gòu)體系、詳盡的分析、抗震措施和必要的試驗(yàn),并經(jīng)過專門的評(píng)估予以確認(rèn)[10]?？舍槍?duì)項(xiàng)目的復(fù)雜情況，對(duì)剪力墻、框架柱及外懸挑伸臂桁架等結(jié)構(gòu)及超限和不規(guī)則情況采用抗震設(shè)計(jì)性能目標(biāo)來設(shè)計(jì)和分析，進(jìn)行彈性時(shí)程分析、中震驗(yàn)算、靜力彈塑性分析，結(jié)果表明通過性能設(shè)計(jì)和必要的抗震措施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠滿足建筑規(guī)范等要求[11]。

3.2.4 施工技術(shù)

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程復(fù)雜，對(duì)施工技術(shù)有嚴(yán)格要求，高層建筑施工過程中工程量增大、工序增多，因此對(duì)建筑施工有較高的技術(shù)要求，產(chǎn)生了大量的新技術(shù)、新工藝、新方法。如預(yù)應(yīng)力新技術(shù)、高強(qiáng)度等級(jí)混凝土技術(shù)、大體積混凝土裂縫控制技術(shù)、粗鋼筋連接技術(shù)、新型模板應(yīng)用技術(shù)等。

應(yīng)用預(yù)應(yīng)力技術(shù)能夠有效節(jié)約鋼材、減小結(jié)構(gòu)梁高、增大建筑凈空間，減少結(jié)構(gòu)混凝土量及結(jié)構(gòu)自重，減少裂縫出現(xiàn)，提高混凝土耐久性能，節(jié)約材料，在高層建筑應(yīng)用中有明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[12]。超高層建筑高度增加，混凝土泵送困難，高性能混凝土的配制及其超高泵送技術(shù)解決了C60～C90混凝土超高泵送的難題[13]。葉浩文等[14]采用具有低發(fā)熱量、低收縮、高強(qiáng)度、高泵送、高保塑、自密實(shí)、自養(yǎng)護(hù)特點(diǎn)的高適應(yīng)性綠色混凝土以及“少穿墻上下對(duì)鎖大鋼模板”，配以內(nèi)外腔先后澆筑、“內(nèi)澆外綁”同步施工的施工工藝，確保了高強(qiáng)混凝土與雙層勁性鋼板協(xié)同工作，避免了裂縫產(chǎn)生，滿足了超高層建筑雙層勁性鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)體系下高強(qiáng)混凝土的施工要求。

3.2.5 軟件應(yīng)用

高層建筑向著體型復(fù)雜、功能多樣的方向發(fā)展，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，計(jì)算量大，因此相關(guān)的電算程序發(fā)展迅速，目前應(yīng)用較多的軟件有SAP2000、ANSYS、ABAQUS、ETABS和PERFORM-3D等。有限元分析等軟件的發(fā)展對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其規(guī)范編制起著很大的推動(dòng)作用。

我國(guó)抗震規(guī)范規(guī)定，復(fù)雜結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的內(nèi)力和變形分析應(yīng)采用不少于兩個(gè)合適的不同力學(xué)模型，并對(duì)其分析結(jié)果進(jìn)行比較。劉鑫等[15]采用PERFORM-3D和ABAQUS兩種有限元分析軟件，分別建立結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算模型。通過對(duì)結(jié)構(gòu)的整體性能水平的判斷以及對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件應(yīng)力狀態(tài)的分析，全面把握結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)抗震性能。將兩種軟件的分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)各項(xiàng)性能指標(biāo)的可靠性，保證結(jié)構(gòu)達(dá)到預(yù)定的抗震性能水準(zhǔn)目標(biāo)。兩種軟件的聯(lián)合應(yīng)用可以更為全面且可靠地反映結(jié)構(gòu)的抗震性能。

當(dāng)前，計(jì)算機(jī)分析程序已不再是簡(jiǎn)單地輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，而是由計(jì)算機(jī)識(shí)別那些不夠合理的構(gòu)件。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已定的約束條件下進(jìn)行改變和重復(fù)迭代以進(jìn)行優(yōu)化，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬、優(yōu)化選型等，顯著提高了設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)水平。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)向智能化、信息化迅速發(fā)展。

3.3 突變?cè)~分析

突變?cè)~指在較短時(shí)間內(nèi)頻率較高的關(guān)鍵詞，反映了高層建筑結(jié)構(gòu)研究在推進(jìn)、發(fā)展過程中關(guān)注領(lǐng)域的聚焦變化，可以判斷研究領(lǐng)域的前沿與趨勢(shì)。由CiteSpace得到高層建筑結(jié)構(gòu)研究不同時(shí)間的突變?cè)~，見表3。

表3 突變?cè)~

20世紀(jì)90年代研究聚焦“鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)”“框架結(jié)構(gòu)”“結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”“地下室”等，1999年后結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念提升，設(shè)計(jì)更加具體、注重實(shí)效，“抗震設(shè)計(jì)”“抗震性能”“動(dòng)力特性”“風(fēng)振響應(yīng)”“振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)”等的研究熱度增加，計(jì)算機(jī)建模結(jié)構(gòu)分析等智能化、信息化方法廣泛運(yùn)用，研究聚焦“有限元分析”“ANSYS”。“性能設(shè)計(jì)”“PERFORM-3D”“設(shè)計(jì)”“ABAQUS”等是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，是高層建筑結(jié)構(gòu)研究的前沿。

4 結(jié) 論

本文剖析了高層建筑結(jié)構(gòu)研究的機(jī)構(gòu)分布，揭示高層建筑結(jié)構(gòu)研究的熱點(diǎn)、核心節(jié)點(diǎn)，研究的主要方面和研究前沿。高層建筑結(jié)構(gòu)的研究理念和方法隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步快速發(fā)展，高層建筑結(jié)構(gòu)的研究從按規(guī)范設(shè)計(jì)、概念設(shè)計(jì)到基于性能的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)理念逐漸提升，分析更加全面深入，廣泛應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、結(jié)構(gòu)選型等，研究向智能化、信息化方向發(fā)展。

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