基于风致响应的高层建筑等效静力风荷载优化设计研究

俞英娜

（兰州石化职业技术学院 土木工程系，兰州 730060）

基于风致响应的高层建筑等效静力风荷载优化设计研究

俞英娜

（兰州石化职业技术学院 土木工程系，兰州 730060）

高层建筑风致响应目前需要一个等效静力风荷载优化。高层建筑风致响应等效静力风荷载优化能带来内外部规模的经济增长效应，提高企业自主创新能力，促进企业发展及风致响应竞争力形成。一定区域的建筑风致响应等效静力风荷载优化是在区域相关条件约束下形成的，有效的高层建筑风致响应等效静力风荷载优化应该是基于区域比较优势发展起来的。文章系统地介绍了高层建筑的定义及规模，然后又阐述了区位优势评价指标，最后介绍了等效静力风荷载优化的一系列的特征。

风致响应；高层建筑；等效静力风荷载优化

0 引言

自19世纪中叶出现高层建筑以后，高层建筑占据建筑中最重要的地位。随着世界建设任务的日益繁重，人们对高层建筑建设的标准和要求了解愈发深入，随之产生了一些显著的有关高层建筑的政策和法律法规，形成了一套有效的高层建筑评价体系。同时为了促进高层建筑的发展，也出现了专门的高层建筑组织管理部门。大力发展等效静力风荷载优化能带来内外部规模经济效应，提高企业自主创新能力，促进企业发展及竞争力形成。

1 高层建筑风致响应

1.1 有关高层建筑风致响应的概念

国外高层建筑研究起步较晚，形成了一定的有关高层建筑的定义。然而，由于经济技术、地域观念等因素差异，国内对此准确定义并未达到有效的共识，但对于高层建筑的基本内涵认识是一致的，这主要包含以下几方面内容：

首先，节约环保。节约环保要求在建筑的建造和投入使用过程中，从空间环境承载力、资源可再生力和生态修复力等多角度出发，尽可能地节约材料、能源和水电等，以此减少环境污染。

其次，健康舒适。人们对于建筑环境的住宿环境要求很高，因此健康舒适是很重要的方面。健康舒适即要求建筑建造时使用符合国家标准要求的材料，并控制建筑内有关化学物质的含量达到国标要求。此外，要尽可能优化建筑结构设计，注重一些通风、采光等细节要求，为建筑使用者提供清新高质量空气，并能提高居住舒适度。

最后，自然和谐。人与环境的协调统一是人与环境相处的重要内容。建筑使用者需要拥有较强的环保意识，珍惜爱护自然环境，避免因个人行为对建筑环境造成破坏影响。因此，也称高层建筑为生态建筑、环保建筑和可持续发展建筑。一般在建筑从选址设计到施工到运行维护再到最后的改造拆除的生命周期内，通常采用环保节约型工艺进行建筑构造。国内关于高层建筑的定义是：高层建筑指的是在建筑整个生命周期内，尽可能通过节能、节材等保护环境并减少污染，为使用者提供健康舒适的空间，最终达到人与自然环境和谐统一的境界，构建绿色型生存环境。本文所讨论的高层建筑是界定在符合国家高层建筑评价体系内的建筑。

1.2 高层建筑风致响应的发展阶段

根据国内外有关高层建筑的发展回顾，高层建筑风致响应的发展经历了4个重要演变阶段，这一点跟风致响应生命周期的发展轨迹相似。

1.2.1 雏形期

在这一时期发展过程中，最为显著的是“绿色”概念的兴起，在各类组织的积极推进下，打造节能环保建筑的思想逐渐明朗，各国对高层建筑的标准认识更为深刻。显著的成果是出台了一系列有关高层建筑的标准政策和法律法规，有关高层建筑的评价体系也开始出现。同时有关高层建筑管理和促进其发展的非盈利性组织也随之诞生。

1.2.2 成长期

在这一阶段，高层建筑发展开始深入，深化的政策法规不断完善规范，并且越来越多企业开始接受高层建筑的评价标准。此时已出现部分强实力的企业入驻市场，这些企业将绿色概念引入并加强对高层建筑产品的市场宣传，并为消费者提供切身体验，以此赢得消费者的支持和认可，从而提高市场知名度，绿色建筑的市场需求也急速上升。

1.2.3 成熟期

在成熟期发展阶段，高层建筑风致响应的成熟期经历了相对漫长的时期，关于高层建筑的政策法规也趋于稳定，主要内容是针对以往规则标准的延续和进一步完善。

1.2.4 飞跃期

伴随着高层建筑产品在市场认知度的深入提高，并在高层建筑风致响应成熟期的深入发展后，其未来发展将更加深远且更受消费者欢迎。

2 高层建筑风致响应等效静力风荷载优化分析

我国高层建筑风致响应发展起步较晚，在2006年开始起步，但与发达国家相比，我国高层建筑风致响应一直在加紧追赶和学习的脚步，通过借鉴并结合自身特色逐步发展符合自身需求的风致响应。基于高层建筑风致响应的链划分标准，主要包括上游、中游和下游三个环节，其中上游包括建筑设计、节能环保材料制造和技术人员培养，此环节对于技术水平要求相对较高；中游环节则主要针对房地产开发环节，它是高层建筑风致响应直接的价值体现，此环节主要是对资金的需求，技术要求方面要稍次于上游，同时对于消费者也有一定的知识水平要求，从而能从环保观念接受这种新观念，当然此部分内容也离不开政府及有关部门的支持；最后一个是下游环节，该环节主要是对高层建筑的绿色金融和物业管理等，技术要求较低，其发展是基于中游环节的发展基础上。

高层建筑设优化算法：在设计方面，目前国内完成过高层建筑申报的单位包括中国建筑科学研究院上海分院、天津分院和建筑设计院以及北京清华城市规划设计研究院，他们是参与设计项目最多的单位。高层建筑设计行业内，市场集中度非常高，通常城市高层建筑的开往往需要跨省市的多家设计单位进行合作。进行结构优化设计可以分为3个步骤：第一，创建和优化模型对应于实际的工程设计数学方案；其次，根据结构的特点，变量的类型和优化选择的快速收敛速度实现高效率的优化算法；第三，根据优化模型和优化算法，使用有限元分析软件和数据处理语言相应的计算机优化程序。在这3个步骤中，优化算法的选择直接影响建筑的质量和耗时以及最终的优化结果，这是优化设计的核心部分。根据理论基础，可以将优化算法可以分为3类：数学规划、优化标准方法、现代优化算法。基于数学规划理论的数学规划方法，以满足收敛标准在一定条件下达到最优解，具有良好的适用性，收敛性也很好。标准算法则是一种更古老的结构优化算法，它的起源可以追溯到1950年，根据准则法律力学概念建立一定的标准，然后通过相应的迭代计算，可以从所有的设计变量来满足这些标准机械或优化设计的算法设计。现代优化算法是一种年轻化的新型优化算法，在近年来发展迅速，它在航空航天工程、电脑程序设计方面均有应用。目前，现代优化算法在高层建筑优化设计中发挥着重要的作用。现代优化算法的基本原理是组合优化，即在本质上是通过建立问题的目标函数，求解目标函数的最优解，将优化问题转化为函数最优解求解问题。

高层建筑材料：高层建筑材料的使用是参考《高层建筑评价标准》。目前国内拟获得高层建筑评价标识的建筑体，其所使用的建筑材料只有基于总体指导性的要求，并没有出台相关细则要求。具体是，规定此类建筑使用的建材满足国家或行业相应的产品质量标准，尽可能地就地取材，希望20%以上的建筑材料来源于距施工现场500 km以内。鼓励使用耐用不易损耗的高层建筑材料，如高强度钢、高性能混凝土、高性能混凝土外加剂。在同等性能需求，高层建筑材料的使用可以获得更有利于成本效益最大化的解决方案，同时实现静力风荷载最优化的设计。研究表明，利用高层建筑材料与传统材料相比，工程成本往往会减少6%到20%，从而提高结构的经济外在表现值。例如上海环球金融中心（101层、492 m高），南京紫峰大厦（118层，450 m高），深圳、北京金融中心（100层，441.8 m高），广州国际金融中心（103层，高437.5 m），上海金茂大厦（91层，420 m高）等等，由于建筑创新的独特要求，以及现场条件、约束性功能限制以及其他因素，使用适当的符合监管要求的国家标准的高层建筑材料，可以表现为建筑高度的实现，同时小阻尼且结构复杂和非对称布局等特点。高级建筑材料的使用，在解决风致响应的安全性与经济性之间实现了一个合理的平衡。

3 结语

我国的高层建筑风致响应正处于高层建筑风致响应生命周期中的成长阶段的初期。虽然国内高层建筑风致响应在等效静力风荷载优化程度上具有较高水准，但是等效静力风荷载优化的发展会逐渐减弱，风致响应发展将在全国各地得到广泛运用并开展深入的发展。我国高层建筑风致响应等效静力风荷载优化现象对风致响应的发展能发挥积极效应。

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TU119+.21

A

1673-1093（2015）07-0077-03

俞英娜，就职于兰州石化职业技术学院。

10.3969/j.issn.1673-1093.2015.07.019

2015-03-21；

2015-03-29