优化设计方法分析及其在建筑结构设计中的应用

【摘要】近几年，随着吴国高层建筑的飞速发展， 建筑高度也随之不断增加， 建筑类型与功能的越来越复杂， 结构体系的更加多样化， 高层建筑结构设计也越来越成为结构工程师设计工作的主要重点和难点之所在。高层建筑结构设计的四个特点即水平荷载成为决定因素、轴向变形不容忽视、侧移成为控制指标、结构延性是重要设计指标。在建筑结构设计中，当建筑方案产生后，结构从选型和布置开始就存在优化与否的问题，再加上后续每一道工序的精心设计、准确计算、合理选用等全过程的优化设计才能产生优化的结构。下面就结构设计优化的一些途径，谈一点看法，以期与广大结构设计人员共勉。

【关键词】建筑结构；优化设计；体系分析；方案应用

一、 城市高层建筑的一般结构体系

1.1 框架一剪力墙体系

当框架体系的强度和刚度不能满足要求时，往往需要在建筑平面的适当位置设置较大的剪力墙来代替部分框架，便形成了框架一剪力墙体系。在承受水平力时，框架和剪力墙通过有足够刚度的楼板和连梁组成协同工作的结构体系。在体系中框架体系主要承受垂直荷载，剪力墙主要承受水平剪力。框架一剪力墙体系的位移曲线呈弯剪型。剪力墙的设置，增大了结构的侧向刚度，使建筑物的水平位移减小，同时框架承受的水平剪力显著降低内力沿竖向的分布趋于均匀，所以框架～剪力墙体系的能建高度要大于框架体系。

1.2 剪力墙体系

当受力主体结构全部由平面剪力墙构件组成时，即形成剪力墙体系。在剪力墙体系中，单片剪力墙承受了全部的垂直荷载和水平力。剪力墙体系属刚性结构，其位移曲线呈弯曲型。剪力墙体系的强度和刚度都比较高，有一定的延性，传力直接均匀，整体性好，抗倒塌能力强，是一种良好的结构体系，能建高度大于框架或框架一剪力墙体系。

1.3 筒体体系

凡采用筒体为抗侧力构件的结构体系统称为筒体体系，包括单筒体、简体一框架、筒中筒、多束筒等多种型式。简体是一种空间受力构件，分实腹筒和空腹筒两种类型。实腹筒是由平面或曲面墙围成的三维竖向结构单体，空腹筒是由密排柱和窗裙梁或开孔钢筋混凝土外墙构成的空间受力构件。简体体系具有很大的刚度和强度，各构件受力比较合理，抗风、抗震能力很强，往往应用于大跨度、大空间或超高层建筑。

二、高层建筑结构设计特点

2.1 水平荷载成为决定因素

一方面， 因为楼房自重和楼面使用荷载在竖向构件中所引起的轴力和弯矩的数值，仅与楼房高度的一次方成正比； 而水平荷载对结构产生的倾覆力矩， 以及由此在竖向构件中引起的轴力， 是与楼房高度的两次方成正比； 另一方面， 对某一定高度楼房来说，竖向荷载大体上是定值， 而作为水平荷载的风荷载和地震作用， 其数值是随结构动力特性的不同而有较大幅度的变化。

2.2 轴向变形不容忽视

高层建筑中， 竖向荷载数值很大， 能够在柱中引起较大的轴向变形， 从而会对连续梁弯矩产生影响， 造成连续梁中间支座处的负弯矩值减小， 跨中正弯矩和端支座负弯矩值增大； 还会对预制构件的下料长度产生影响， 要求根据轴向变形计算值， 对下料长度进行调整； 另外对构件剪力和侧移产生影响， 与考虑构件竖向变形比较， 会得出偏于不安全的结果。

2.3 侧移成为控制指标

与较低楼房不同， 结构侧移已成为高层建筑结构设计中的关键因素。随着楼房高度的增加， 水平荷载下结构的侧移变形迅速增大， 因而结构在水平荷载作用下的侧移应被控制在某一限度之内。

三、高层建筑结构设计应注意的问题

3.1 结构选型

对于结构选型来说，相关设计规范在这方面的波动较大，新的设计规范相对于旧的规范增添了相当多约束条件，在设计方面进行了部分限制：例如： 平面规则性信息、嵌固端上下层刚度比信息等， 而且， 新规范采用强制性条文明确规定“建筑不应采用严重不规则的设计方案。”因此， 结构工程师在遵循新规范的这些限制条件上必须严格注意， 以避免后期施工图设计阶段工作的被动。

结构的超高问题。在抗震规范与高规中， 对结构的总高度都有严格的限制， 尤其是新规范中针对以前的超高问题， 除了将原来的限制高度设定为A 级高度的建筑外，增加了B级高度的建筑， 因此， 必须对结构的该项控制因素严格注意， 一旦结构为B级高度建筑或超过了B 级高度，其设计方法和处理措施将有较大的变化。在实际工程设计中， 出现过由于结构类型的变更而忽略该问题， 导致施工图审查时未予通过， 必须重新进行设计或需要开专家会议进行论证等工作的情况， 对工程工期、造价等整体规划的影响相当巨大。

3.2 地基与基础设计

地基与基础设计一直是结构工程师比较重视的方面，不仅仅由于该阶段设计过程的好与坏将直接影响后期设计工作的进行， 同时， 也是因为地基基础也是整个工程造价的决定性因素， 因此， 在这一阶段， 所出现的问题也有可能更加严重甚至造成无法估量的损失。

在地基基础设计中要注意地方性规范的重要性问题。由于我国占地面积较广， 地质条件相当复杂， 作为国家标准， 仅仅一本《地基基础设计规范》无法对全国各地的地基基础都进行详细的描述和规定， 因此， 作为建立在国家标准之下的地方标准。地方性的《地基基础设计规范》 能够将各地方的地基基础类型和设计处理方法等一些成熟的经验描述和规定得更为详细和准确， 所以， 在进行地基基础设计时， 首先要深入学习地方性规范，了解相关规范政策，从而更好地为整个工程的总体设计以及后期工作铺平道路。

3.3 结构计算与分析

在结构计算与分析阶段， 如何准确， 高效地对工程进行内力分析并按照规范要求进行设计和处理， 是决定工程设计质量好坏的关键。由于新规范的推出对结构整体计算和分析部分相当多的内容进行了调整和改进， 因此， 对这一阶段比较常见的问题应该有一个清晰的认识。

结构整体计算的软件选择。目前比较通用的计算软件有： SATWE、TAT、TBSA等， 但是， 由于各软件在采用的计算模型上存在着一定的差异， 因此导致了各软件的计算结果有或大或小的不同。所以， 在进行工程整体结构计算和分析时必须依据结构类型和计算软件模型的特点选择合理的计算软件， 并从不同软件相差较大的计算结果中，判断哪个是合理的、哪个是可以作为参考的， 哪个又是意义不大的， 这将是结构工程师在设计工作中首要的工作。否则， 如果选择了不合适的计算软件， 不但会浪费大量的时间和精力， 而且有可能使结构有不安全的隐患存在。

是否需要地震力放大， 考虑建筑隔墙等对自振周期的影响。该部分内容实际上在新老规范中都有提及， 只是，在新规范中根据大量工程的实测周期明确提出了各种结构体系下高层建筑结构计算自振周期折减系数。

四、结束语

总之， 高层建筑结构设计是一个长期、复杂甚至循环往复的过程， 任何在这过程中的遗漏或错误都有可能使整个设计过程变得更加复杂或使设计结果存在不安全因素。

参考文献：

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