高层建筑的结构优化

2011-08-15王崇革孙琳林斌

山西建筑 2011年22期

王崇革孙琳林斌

1 高层建筑结构的发展

1)钢筋混凝土结构的发展。在高层建筑中，由于钢筋混凝土结构的耐火性好，就地取材，整体性好并且造价低于钢结构等优点，得到了广泛应用。尤其是框架结构和框架剪力墙结构等在实际工程中被应用。由于高强度混凝土可以提高抗震性能，减轻构件自重，目前正在大力研发。2)组合结构的发展。组合结构和钢筋混凝土结构在高层建筑中受到越来越广泛的关注和使用。在多发地震国家日本，为了满足抗震和承载力等要求，组合结构正在迅速发展。其中外包混凝土组合柱，钢管混凝土组合柱被越来越多的应用在高层建筑中。尤其是处于三轴受压状态的钢管混凝土可以更好的提高承载力，节约钢材。例如上海金茂大厦应用巨形组合设计，得到了可观的经济效益。在未来的高层建筑发展中，由于组合结构的诸多优点，比如说可以降低工程成本，加快施工进度等，它将会被越来越广泛的应用。3)钢结构的发展。随着现代科技的发展，钢结构设计也逐渐被应用到工业厂房和民用建筑中。它的特点是:自身强度高有良好的延性，环境污染少等。在高层建筑中，我们可以充分利用钢结构良好的抗拉性能，但由于它自身造价较高，在实际工程中应用较少。4)研发新型材料和新结构形式的发展。在高层建筑中，轻质高强的材料如轻混凝土、纤维混凝土、轻骨料混凝土等被大力研发。尤其是为了减少钢材对防火材料的依赖，应大力研发新型耐火耐候钢。而筒体结构由于有更好的抗扭刚度，抗侧刚度和良好的承载力，近几年作为新型结构逐渐代替框架结构等传统结构被应用在高层建筑中。5)智能建筑的发展。由于人们审美观和对建筑功能的要求增多，为了获得高效率、高功能、高舒适的建筑物，智能化开始进入了建筑发展中。将建筑物的结构、设备、服务和管理进行最优化组合，以满足用户的需求而形成的就是智能建筑。智能建筑在20世纪80年代中后期进入中国，并在上海、北京等城市得到很好的发展应用。智能建筑中的办公自动化系统、设备管理自动化系统、通讯网络系统是三大必不可少的系统。

2 高层建筑中的一些问题

1)由于受到计算速度，截面形式多和荷载约束多等条件的约束，大型结构的结构优化程序和算法还不完整。实用完整的高层建筑优化软件还没有研发出来，但是采用现有的计算软件又达不到理想的效果。不规则的高层建筑结构在实际工程中也会出现，可能会不利于结构的抗震，对它的结构优化很重要。对结构规则布置合理的建筑物，计算后仍然会出现一些问题，这时候加大截面尺寸会增加了材料的用量，也是很不合理的。

2)高层建筑结构优化理论发展迅速，但是实践还是远远落后。大量的研究表明，形状优化比尺寸优化更重要，因此单纯的尺寸优化达不到更好的效果。可在实际工程中，设计人员在已知的几何形状和材料等前提下，由计算软件算出所需的截面尺寸，且其满足设计要求即可。因此在以后的工程中，我们应注意结构的形状优化，达到更好的效果。

3)传统的优化算法对型钢规格型号，建筑物尺寸不连续变化的情况下是无法计算的。而且有些问题规模较大，会导致计算量随之增加，所以迫切需要有一个完善的计算系统。

3 高层建筑结构优化的部分建议

1)截面的变量选择方法很多，选取何种优化模型是由不同的截面变量选择方法所决定，因此变量选取在高层建筑的结构优化中十分重要。在实际工程的截面优化问题中，影响构件的约束结果和造价与影响构件尺寸的因素是不同的，前者由截面的力学特性A，I2等影响，而后者是由截面尺寸H，B等影响。用户可以根据设定的离散域对各变量进行取值，从而保证工程的实用性。此外，根据构件的不同受力状况，梁是根据局部稳定性限制和高宽比为1/3～1/2生成截面离散尺寸变量，而柱是根据局部稳定性限制和按高宽比1/2～1生成截面离散尺寸变量。

2)根据《高规》规定，通过地震作用下的最大层间位移与水平荷载可以看出高层结构截面尺寸定量优化的整体约束。钢构件和混凝土构件截面优化有所不同，前者截面优化应满足强度，挠度和稳定的要求。而后者由轴压比约束，截面限制约束等控制。