高层建筑的结构优化研究

吴飞 王辉

近年来，随着社会经济的发展、科学文化的进步，人们对高层建筑的需求越来越大。一般来说，高层建筑造价较高，但通过结构优化可以使工程造价减少5%～30%，所以对高层建筑结构进行优化设计能够直接有效的减少工程造价，并能使高层建筑结构更加合理，因此，高层建筑结构的优化已经成为人们日益关心的课题。

1 高层建筑的发展趋势

1)新材料的开发和应用。随着高性能混凝土的研制和发展，混凝土的强度等级和韧性得到了很大程度的改善，尤其是高强度混凝土的出现，使用高强度混凝土可以减小结构构件尺寸，从而减小结构的自重;高层建筑钢结构中FR钢提高了高温时铁的强度，使钢材的防火保护层厚度减小，从而降低钢结构的造价。

2)耗能减震技术的应用将得到推广。高层建筑结构的减震是通过在结构中设置被动耗能装置，为结构提供一定的附加刚度或附加阻尼，从而消耗本来由结构构件所需承担的地震能量，以减轻结构的动力反应，从而大大减轻了高层建筑结构的变形和损伤。

3)高层建筑组合结构和新型建筑结构的应用将显著增多。组合结构是采用组合结构构件组合而成的，其中组合结构构件指由两种不同的材料组合成并能共同工作的整体，采用组合构件可以建造比混凝土结构更高的建筑。因为钢管内混凝土处于三轴压力作用下，能提高构件的竖向承载力，从而可以节省钢材。20世纪60年代初，筒体结构出现，筒体结构最主要的受力特点是它的空间受力性能，筒体结构比单片结构具有更大的抗侧刚度和承载力，并具抗扭刚度较好的特点，框筒结构将广泛应用于多功能、多用途、多层数的高层建筑中。

4)智能建筑技术将得到发展。智能建筑是通过对建筑物的4个基本要素(结构、系统、服务、管理)以及它们之间的内在联系，以最优化的设计，提供一个投资合理又拥有高效率的优雅舒适、便利快捷、高度安全的环境空间，设备管理自动化系统、通讯网络系统、办公自动化系统是智能建筑构成所必需的三大系统。智能化建筑在国内外都迅速发展，在高层建筑中有很好的应用前景。

2 高层建筑结构优化理论

1)截面(尺寸)优化。截面优化是对结构进行优化的最直接和最简单的方法，此方法是将结构构件的尺寸作为设计变量，在优化过程中，尺寸优化重点放在优化算法和灵敏度分析。运用这种方法，可以达到使目标函数最优的目的。

2)形状优化。结构形状优化的方法是将控制结构形状的某些边界控制点的几何信息作为设计变量，由这些控制点生成结构的边界，在优化过程中通过设计变量来改变结构的边界，从而调整结构的边界形状或者内部几何形状，达到目标函数最优的目的，实践表明，结构形状优化设计是解决高层结构优化最有效的方法。

3)拓扑优化。拓扑优化能够在结构设计的初期给设计人员提供概念性设计，使结构在布局上比较合理，拓扑优化的目的在于寻求结构最佳传力形式，以优化结构的性能和结构的重量。

4)布局优化。对于布局优化这一高度非线性的问题进行求解时，由于设计空间的维数很高，常常会遇到收敛问题，所以到目前为止，对布局优化还没有特别有效的方法。

3 高层建筑结构优化过程中存在的问题

1)高层建筑结构优化工作量比较大。高层建筑优化理论相对落后，而且目前没有实用的结构优化软件，高层建筑结构优化变量个数比较多，且变量随着结构的复杂程度而急剧增加，又难以区分主动变量和被动变量，只能求出相对最优解。高层建筑结构优化问题需要通过反复多次寻优，结构优化分析极少能一次成功，这就大大增加了高层建筑优化分析的工作量。

2)高层建筑结构优化只重视结构尺寸的优化而忽视结构整体的优化。在实际结构设计中，结构设计人员都是在已经确定结构形状和材料的情况下进行结构设计，而结构优化只是在满足约束条件的基础上对结构尺寸进行优化，忽视结构整体的优化。大量的研究表明，形状优化比尺寸优化效果更重要，所以传统的尺寸优化的结果不具有说服力，因此，在以后的研究工作中，我们要重视形状优化，以达到更好的效果。

3)对离散变量无法做出准确的分析。高层建筑尺寸以及型钢规格型号等都不是连续变化的，用许多传统的优化方法是无法计算的，所以对工程上的离散型变量不能做出精准的分析，大多数只能先作为连续变量处理后再规整，这样会导致一定的误差。

4 高层建筑结构优化的部分建议

1)优化变量及变量定义域的选取。变量选取是优化处理的基本问题，选取何种优化模型取决于不同截面变量的选取方法。在准则法连续变量的整体优化中，截面变量的选择要在保证与约束对应性的基础上尽量减少变量数目，因为变量越多将会导致优化效率较低，但如果变量不能保证与约束的相对应性，搜索方向会出现方向混乱的问题。对于工程中的离散变量无法做出优化的问题，其截面尺寸H，B，Tw，Tf是截面的外观特性，将会直接影响构件的尺寸;其截面特性A，I2，I3相当于是截面的力学特性，将会直接影响构件的造价与结果，设计人员可以根据设定的离散域对各离散变量进行取值，从而保证实际工程中的实用性。此外，可以根据构件不同的受力特点，根据构件的高宽比和截面特性对定义截面进行初始值限定，比如梁可以根据b/h=1/3～1/2，并根据局部稳定性限制生成截面离散尺寸变量;支撑考虑的是拉压支撑、受压稳定控制以及回转半径i在两个方向趋于平衡。

2)约束条件的考虑。在结构整体规范约束方面，对高层结构截面尺寸定量优化的整体约束体现在:水平荷载与地震作用下的最大层间位移与层扭转规则性两个方面;在结构局部约束方面，对于钢管混凝土和钢构件一定要满足强度、稳定性和挠度要求，对于混凝土构件、剪力墙墙肢、型钢混凝土构件要满足截面限制要求、轴压比约束与最小配筋率要求。

5 结语

高层建筑结构优化已成为人们日益关注的课题，今后在设计过程中，要根据现行规范重视形状优化、结构整体的优化，而不是单纯截面尺寸的优化;要在考虑约束条件的基础上根据设定的离散域对各离散变量进行取值，并对截面进行初始值限定。

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