關(guān)鍵詞：多高層建筑；上部結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設計；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 

引言 

多高層建筑大量的建設需求使得對其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計一直都是結(jié)構(gòu)領(lǐng)域探討研究的重點課題之一。結(jié)構(gòu)優(yōu)化的理論研究已經(jīng)經(jīng)歷了較長的發(fā)展歷史，也取得了眾多的優(yōu)化實踐經(jīng)驗，但是仍缺乏系統(tǒng)性和全面性，相對來講對程序設計模型優(yōu)化等還十分匱乏。多高層建筑從設計策略上就要實現(xiàn)優(yōu)化，繼而從多類型的結(jié)構(gòu)體系選擇進行荷載抗力優(yōu)化處理，接著從整體性角度提高結(jié)構(gòu)性能，通過結(jié)構(gòu)體系和算法手段，實際操作表明優(yōu)化效果明顯。 

上部結(jié)構(gòu)設計策略的優(yōu)化 

數(shù)學計算優(yōu)化方法是基于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)問題特點而建立發(fā)展起來，運用計算機程序技術(shù)進行結(jié)構(gòu)的算法優(yōu)化設計，較為先進的有最優(yōu)準則法和遺傳算法。最優(yōu)準則法是起步較早的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方法之一，其以預先規(guī)定好一組優(yōu)化設計需要滿則的準則為基本出發(fā)點，繼而依據(jù)這些準則來建立實現(xiàn)優(yōu)化設計相關(guān)迭代公式進行計算。通常依據(jù)已有工程經(jīng)驗，使用相關(guān)的理論研究、分析和判斷，繼而得出迭代算法，較為適用于連續(xù)變量情況近似的工程優(yōu)化方法。遺傳算法發(fā)展史較短，其為近些年來新興啟發(fā)式算法之一，基于生物進化學說的自然遺傳機制優(yōu)化的算法。遺傳算法將結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計問題轉(zhuǎn)變?yōu)樯�物的進化過程，使用優(yōu)勝劣汰機制以取得優(yōu)化處理后的最優(yōu)解，其操作參數(shù)的 編碼，而非參數(shù)自身。遺傳算法進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略的優(yōu)勢在于其操作眾多的起始點，并非單一點，有效地避免了搜索進程向局部的最優(yōu)解收斂，同時期使用的概率轉(zhuǎn)變規(guī)則避免了確定性規(guī)則的單一性，實現(xiàn)復雜系統(tǒng)的優(yōu)化應用。 

結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化設計 

多高層建筑結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化設計目標在于實現(xiàn)結(jié)構(gòu)足夠的豎向荷載及水平荷載抵抗能力，使其具備良好的變形性能、耗能減震能力和抗震承載能力。 

3.1 傳力路徑明晰化處理 

多高層建筑的結(jié)構(gòu)體系需要保證傳力途徑的明晰化，使得作用于結(jié)構(gòu)上部的水平和豎向荷載可以直接傳向基礎(chǔ)，避開出現(xiàn)傳力迂回的情況。優(yōu)化結(jié)構(gòu)體系時要盡量形成較為正確簡單的計算簡圖，降低實際情況同計算模型之間的差異。在進行傳力路徑處理過程中保證概念設計最優(yōu)化，尤其是有錯層、轉(zhuǎn)換層和大底盤等復雜結(jié)構(gòu)體系形式中其作用更為突出。 

3.2 多道設防措施的采用 

最新修訂的抗震規(guī)范對結(jié)構(gòu)體系多道設防機制形成要求更為嚴格，通常使用合理處置承載力的分布、結(jié)構(gòu)剛度與構(gòu)件之間強弱的關(guān)系，利用第一道防線破壞來消耗地震能量的方式，改變整個結(jié)構(gòu)的動力特性，實現(xiàn)減小地震作用的目標。大量的多高層建筑設計實踐經(jīng)驗表明，對于純框架的結(jié)構(gòu)體系，加設鋼或者鋼筋混凝土的柱間支撐，使用支撐屈曲作用來耗能，更能優(yōu)化結(jié)構(gòu)抗震性能，最大限度的發(fā)揮第一道防線對框架柱保護能力。對于剪力墻結(jié)構(gòu)和框架剪力墻結(jié)構(gòu)，可以通過連梁的屈曲和開裂來消耗地震能量以保護墻體。第一道設防能力發(fā)揮的前提是保證連梁抗剪性能相對值，確保強剪弱彎，或設置雙連梁以提高抗震效果。 

3.3 強柱弱梁全面實現(xiàn) 

作為結(jié)構(gòu)延性措施保障之一的強柱弱梁，其保證就算塑性鉸在梁端出現(xiàn)，形成了梁鉸機制，避免柱子斷裂，強化結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求。高層設計規(guī)范和抗震規(guī)范都要求梁端的彎矩設計值比柱端的彎矩設計值要小來實現(xiàn)這一性能要求，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計同樣遵從這一設計指標，按照具體的抗震等級，保證新規(guī)范抗震調(diào)整系數(shù)情況下的具體公式要求。具體優(yōu)化設計過程中，因為考慮到現(xiàn)澆樓板能夠參與到梁受力體系之中，所以適當對梁抗彎剛度擴大1.5倍到2倍，梁支座配筋率高和板上實際配筋問題造成梁實際的剛度較計算值往往偏大，實際的梁端承載力較梁端彎矩要大。 

結(jié)構(gòu)整體性優(yōu)化設計 

由于結(jié)構(gòu)空間的整體剛度大小直接的關(guān)乎著結(jié)構(gòu)抗震能力強弱，結(jié)構(gòu)整體性保證了結(jié)構(gòu)各個體系和構(gòu)件之間能夠共同工作。樓蓋的剛性處理對于結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性能的提高效果非常明顯，保證樓蓋承受豎向荷載能力的同時，實現(xiàn)其在水平方向上的支撐能力。對于豎向抗側(cè)力不均勻的結(jié)構(gòu)布置或者各個抗側(cè)力構(gòu)件的水平位移不同時發(fā)生的情況，樓蓋體系的抗側(cè)力保證性能協(xié)同作用尤為重要。通過非結(jié)構(gòu)構(gòu)件同結(jié)構(gòu)主體間的連接作用同樣具有良好的結(jié)構(gòu)整體性提高性能，進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計時需要加強非結(jié)構(gòu)構(gòu)件同主體結(jié)構(gòu)的連接部位預埋件和錨固件的設計，保證非結(jié)構(gòu)構(gòu)件附加地震作用合理傳向主體結(jié)構(gòu)。 

設計計算模型優(yōu)化處理 

5.1 設計計算變量選擇 

合理選擇變量時優(yōu)化設計問題處理最基本的問題，對于不同界面變量采用不同的方法實現(xiàn)了對不同優(yōu)化模型及優(yōu)化算法操作的簡化。矩形混凝土梁要選取梁寬b和梁高h最為優(yōu)化的變量，出現(xiàn)不滿足約束條件的時候，增加h大小直到滿足要求，但是如果h/b大于3就要同時增加b，使得h/b小于3，優(yōu)化截面。圓形和矩形混凝土柱要選擇彎矩平面垂直面的柱寬b，此時柱截面高度h取аb，其中а參照建筑的布局和規(guī)范取值。 

5.2 局部約束優(yōu)化處理 

局部的優(yōu)化對于整體結(jié)構(gòu)設計意義重大，合理控制各個局部性能就能夠?qū)崿F(xiàn)整個建筑結(jié)構(gòu)的綜合性能，主要的優(yōu)化處理集中于構(gòu)造的約束和強度條件的約束�；炷�土柱的優(yōu)化約束需要著重考慮堆成配筋優(yōu)化，大偏心受壓和小偏心受壓公式計算完成后考慮受剪強度條件和梁的約束條件，進行配筋率約束，繼而控制軸壓比和整體綜合性能。 

結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計處理效果分析 

6.1 工程概況 

圖1 某十二層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)平面布置圖 

某十二層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)平面布置圖如上圖1所示，應用本文所總結(jié)的優(yōu)化設計計算方法對其整體優(yōu)化設計。建筑物總體高度39.9m，底層層高3.6m，其余層層高3.3m，全部使用c30混凝土，樓面恒荷載取5 kn/m2、活荷載5 kn/m2，梁上荷載取20 kn/m2，基本風壓為0.55 kn/m2，地面粗糙程度為c級，場地土類別為ⅱ類，地震分組為第一組，加速度取0.1g，結(jié)構(gòu)阻尼比0.05。 

6.2 采用優(yōu)化措施的設計效果 

下表1 所列為使用了本文所闡述的優(yōu)化設計方法完成本結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計后底層柱內(nèi)力結(jié)果，數(shù)據(jù)顯示優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)柱端軸力和柱端彎矩明顯有所降低，適當?shù)某艘愿挥谙禂?shù)即可在滿足結(jié)構(gòu)安全性的前提下實現(xiàn)該多高層建筑的經(jīng)濟效益。 

表1 底層柱的內(nèi)力結(jié)果 

 

結(jié)語 

隨著建筑體量的不斷擴大，對建筑結(jié)構(gòu)采取合理的優(yōu)化設計已經(jīng)逐漸成為研究重點。從工程實踐情況表明，對結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要是從結(jié)構(gòu)體系設計及其結(jié)構(gòu)計算方法入手。結(jié)構(gòu)體系上優(yōu)化就是要使多高層建筑的結(jié)構(gòu)體系需要保證傳力途徑的明晰化，使得作用于結(jié)構(gòu)上部的水平和豎向荷載可以直接傳向基礎(chǔ)，從多類型的結(jié)構(gòu)體系選擇進行荷載抗力優(yōu)化處理，接著從整體性角度提高結(jié)構(gòu)性能，通過結(jié)構(gòu)體系和算法手段，實際操作表明優(yōu)化效果明顯。而結(jié)構(gòu)計算方法優(yōu)化就是對結(jié)構(gòu)設計采取有效的數(shù)學計算優(yōu)化方法，運用計算機程序技術(shù)進行結(jié)構(gòu)的算法優(yōu)化設計，如較為先進的有最優(yōu)準則法和遺傳算法。 

參考文獻： 

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