试论某高层建筑的结构优化设计

张国明 金三 王黎明

摘要：本文结合某高层建筑的工程案例，针对建筑结构设计的优化进行概述，提出了一些问题及解决的策略，望为类似工程具有参考价值。

关键词：高层建筑； 结构； 设计； 优化

1 工程概况

某高层建筑属综合建筑。主楼占地面积9383 m2， 总建筑面积19537 m2，主楼高74.8 m， 地面以上19 层、地下1 层， 主楼建筑面积为12091 m2； 裙楼高3 层， 建筑面积为7 646 m2。

1.1 结构承重体系设计

综合考虑裙楼部分大空间的设计使用要求，以及主楼部分的抗侧移设计要求， 裙房结构承重体系采用钢筋混凝土框架结构形式， 主楼采用框架—剪力墙承重结构体系。

本建筑结构在主楼抗侧力构件设计中， 剪力墙主要承担水平作用， 框架承担少部分水平荷载作用和大部分竖向荷载作用。主楼平面形状基本上为正方形， 楼梯均设置在角部位置。为提高主楼结构的抗扭能力， 剪力墙结合楼电梯间设在主楼结构的两个对角位置， 具体厚度根据高层建筑结构设计的变形限值， 由刚度、承载力和延性三者间的最佳匹配决定。

1.2 建筑缝的处理设计

本建筑由主楼和裙房两部分组成， 在二者的连接部位需设置建筑缝。考虑到主楼部分高度较高、结构有效重量大， 裙房部分高度较低， 因此二者间需设置防震缝和沉降缝。对于防震缝， 为避免主楼和裙房间连接部位留出较大的宽缝， 给裙房屋顶防水处理带来困难， 本建筑采用“抗” 的方法。在结构分析时， 将主楼和裙房视为一个整体进行抗侧力设计计算； 对于沉降缝， 结合主楼需设一层地下室的建筑要求， 设计中将主楼基础设计成桩基础， 而将裙房基础设计成柱下条形基础。通过两类基础的沉降变形计算， 相应调整和消除主楼和裙房两部分的不均匀沉降差。施工时， 在主楼和裙房连接部位预留1.5 m 宽后浇带， 通过施工手段局部调整高低两部分间的沉降差。

1.3 基础设计

根据《工程地质勘察报告》提供的场地工程地质条件， 并考虑主楼和裙房间荷载分布的不均匀性特点， 主楼部分结合地下室的设计采用深桩筏板基础， 以提高主楼结构的整体稳定性， 降低主楼部分的沉降变形。

裙房部分采用柱下条形基础， 通过修工条形基础的宽度来调整基底反力， 进一步控制裙房部分的基础沉降变形， 使主楼结构和裙房结构在各自使用荷载作用下， 能产生基本上一致的基础沉降变形量。

2 结构优化设计策略

钢筋混凝土框架—剪力墙结构是高层建筑结构中最常采用的承载体系之一， 它具有框架结构建筑平面布置灵活， 能获得大空间， 建筑立面易于处理， 以及剪力墙结构抗侧移刚度大、整体性好、抗震能力强的优点。在水平荷载作用下， 具有较纯框架和纯剪力墙结构更为有利的水平变形曲线。但钢筋混凝土框— 剪结构是一个具有双重承载体系的非常复杂的空间受力体系， 力学分析难度较大， 其优化设计就更为复杂和难以实现。所以， 尽管国内外学者对此做过许多有益的尝试， 但框— 剪结构的优化设计还存在很多具有重大工程意义和科学意义的课题。

2.1 框架结构的分部优化设计技术

钢筋混凝土框架结构属于具有多个多余约束的超静定结构， 其荷载效应不仅与外荷载大小有关，还与结构构件的材料特征、几何构造特征有关。钢筋混凝土框架结构的分部优化设计， 即是在结构整体内力分析完成后， 根据梁柱各构件的控制内力进行截面优化设计， 确定满足荷载效应水平要求的各结构构件的几何特征和配筋量的优化结果， 由此导致原结构的几何特征和荷载特征发生变化。优化结构在现荷载作用下内力分布特征发生变化， 各构件控制截面上的控制内力也发生相应变化， 据此再进行新一轮的优化设计。因此框架结构的分部优化设计实际上是一个迭代、渐进的寻优过程， 计算结果虽不能总等价于整体优化设计结果， 但通常能给出工程实用的满意结果。

钢筋混凝土框架结构的分部优化设计方法的具体步骤为：

a ） 初始选型： 根据结构平面、立面布置及建筑物设计使用功能， 分析结构所受的竖向荷载和水平荷载及其传力路线， 并考虑施工因素， 归并框架梁、柱的类型， 初选梁柱的几何尺寸。

b ） 结构分析： 按照结构的实际几何构造特征，计算结构所受竖向荷载及水平荷载， 对钢筋混凝土结构进行空间内力分析。根据结构分析结果， 将截面尺寸相同的构件来控制截面内力， 根据其大小进行分类， 并确定每一类构件的设计控制内力。

c ） 截面优化设计： 针对每一种梁柱构件的控制内力进行优化设计， 得出优化约束条件下的结构几何构造特征和配筋特征的优化设计结果， 从而构成新的优化意义上的设计结构。

d ） 收敛性判断： 在工程精度意义上选取一个较小的数值， 作为检验结构收敛性的条件， 进行收敛性判断， 若优化结构与原结构基本一致， 则认为优化结构是收敛的， 可以转入下一步的可行性判断， 否则转回第b ） 步重新进行结构分析、优化设计。

e ） 可行性判斷： 对优化设计结果进行一次内力分析， 检验其可用性， 若整体分析能够满足工程设计要求， 则可按此方案进行配筋和构造处理，作为最终的优化设计结果。否则需根据工程经验和结构内力分析结果进行局部调整， 直到方案可用为止。

2.2 框— 剪结构的三阶段优化设计策略

框—剪结构的设计主要涉及3个方面的优化问题：①结构最优设防水平的决策；②框架与剪力墙结构协同工作，以及承载力、刚度与延性变形能力间的最佳匹配设计；③框架—剪力墙结构构件的优化设计。

2.2.1 第一阶段： 最优设防水平的优化决策

根据地震危险性分析结果或地震区划规定， 在预测地震烈度概率分析基础上， 用模糊综合评判法计算结构的模糊延性向量和模糊抗震强度、损伤等级概率和震害损失的预估期望值E（Id），在满足最大投资约束和最大损失约束条件下，使k1C（Id）+K2K3E（Id）达到最小，求出最优抗震设防烈度Id。

2.2.2 第二阶段： 剪力墙构件的优化设计

剪力墙结构构件的优化设计主要是结构刚度与延性指标的最佳组合， 可用力学准则进行优化。结构刚度对结构的影响主要为结构的自振周期和侧向位移， 结构延性对结构的影响主要为保持承载力前提下的变形能力。因此， 可用结构整体的侧向位移量来协调结构的刚度和延性。根据高层结构设计规范对结构层间位移和顶点总侧移的限值来控制结构的刚度设计和延性设计。

2.2.3 第三阶段： 框架结构的优化设计

框架结构的优化设计准则是一个结构准则， 在一次整体分析完成之后， 可按照前述方法对框— 剪结构中的框架部分进行优化设计。

2.2.4 框— 剪结构的优化设计步骤

a ） 分析结构平面、立面布置特点， 根据工程经验选定剪力墙抗侧力构件的布置位置及几何厚度；

b ） 根据结构使用荷载特点， 根据经验归并框架结构类型， 并初步选定每一类型框架结构梁柱构件的几何尺寸；

c ） 进行整体结构的空间内力分析；

d ） 根据结构分析计算结果， 检查结构的层间位移及顶点总位移是否满足规范要求， 若满足规范要求， 则转入第e ） 步进行判断； 若不满足规范要求， 则直接返回第a ） 步， 进行剪力墙水平截面面积的修正；

e ） 刚度最优化判断： 比较结构实际侧移值和规范限值， 若max（δ/h）-[δ/h] / [δ/h]≤ε1且max（Δ/H）-[Δ/H]/[Δ/H]≤ε2，则转入第f） 步进行计算； 否则转入第a ） 步， 并用原剪力墙厚度乘以修正系数，来修正剪力墙几何尺寸， 重新进行结构分析；

f ） 分别进行剪力墙和框架结构构件的截面优化设计；

g ） 收敛性判断： 比较优化结构与原结构的接近程度， 若优化结构与原结构基本一致， 则认为优化结构是收敛的， 可以转入下一步进行可行性判断， 否则将优化结构作为原结构转回第c ） 步重新进行结构分析、优化设计；

h ） 可行性判断： 对优化设计结果进行一次内力分析， 检验其可用性， 若整体分析能够满足工程设计要求， 则可按此方案進行配筋和构造处理， 作为最终的优化设计结果； 否则需根据工程经验和结构内力分析结果进行局部调整， 直到方案可用为止。

3 结语

高层建筑结构优化设计是一个亟待解决而又非常复杂的工程难题， 特别是超高层建筑或大跨结构的优化设计不仅具有显著的经济效益， 而且对结构受力的合理性以及新型结构形式的研究和推广都具有十分重要的科学意义。