建筑结构设计优化方法及应用探讨

马 强

(陕西恒瑞建筑设计工程有限公司，陕西 西安 710004)

0 引言

建筑结构体系与经济、科学技术的发展均存在紧密的关联。古代建筑结构具有笨重、内部使用空间狭小的特点，自19世纪80年代工业化改革后，建筑结构内部使用空间逐步扩大，以钢材与混凝土材料相结合的不同类型新型结构体系持续涌现，开启了现代工程建筑结构的新历程。但是，在当前建筑结构设计过程中仍然存在性能分析不足、外部框架抗剪力与内部刚度矛盾显著等问题，影响了建筑行业发展。基于此，探讨建筑结构设计优化方法至关重要。

1 建筑结构设计项目概述

某建筑为高层商业办公综合楼，包括商业裙房(7层)、超高层办公楼(35层)、地下室(3层)几个部分。建筑总用地面积为25 631 m2，地上建筑面积为17 562 m2。建筑塔楼拟采用Low玻璃为主的外围护结构，结构设计使用年限为50年，基本风压依据基本风压值为0.6 kN/m2的100年重现期的风压，抗震设防类别为重点设防类(乙类)，设计基本地震加速度值为0.1 g，地面粗糙度类别设定为C类。

2 建筑结构设计优化方法

2.1 开发设计模型集成框架

建筑结构设计模型集成的最终要求是涵盖建筑全生命周期数据信息。比如对于开有门和窗的一段墙体，其对应的模型集成框架需要涵盖门、窗、墙等对象，具体信息为：类型、面积、宽/高、长/高、洞口面积、洞口数量、高/厚度以及界面属性、材料、高×宽、受力特性、钢筋布置等。建筑模型在建筑结构设计阶段处于支配地位，由此产生的数据信息可以被结构设计所提取、集成，为建筑二次建模设计提供支持[1]。以基于BIM技术的建筑结构信息模型ASIM为例，可以Auto-desk的Revit、Graphisoft的ArchiCAD为例，可以IFC支撑下的标准数据模型格式为数据对象表达基础，容纳建筑对象材料、建筑基本绘图信息、造价信息为依据，开展完整建筑模型集成框架的构建。具体建模流程为：在IFC标准约束下，接入基于DXF设计软件、BIM设计软件以及建筑规范，形成包含绘图、造价、材料的建筑产品模型。进而将建筑产品模型中IFC工程文件转化为中心文件，并借助C++编译器、FORTRAN编译器、PKPM图形形式平台，提取结构信息。提取结构信息后输入结构产品模型中进行分析，形成结构规范的模型数据库。

在结构规范的模型数据库形成后，可以面向建筑结构设计过程，搭建ASIM集成框架体系。

ASIM集成框架体系(见图1)从纵向来看，ASIM集成框架体系涵盖了不同设计阶段；从横向来看，ASIM集成框架涵盖了不同的体系，可以为设计者使用相关软件、应用结构设计信息提供充足支持，满足结构设计优化要求。

图1 ASIM集成框架体系

2.2 确定初始目标、约束条件

在ASIM集成框架体系设计完毕后，设计人员可以结合预定条件，寻找相应尺寸的钢筋截面面积以及已失效的概率参数，以便达成建筑工程整体造价最少要求。同时以保证结构可靠性为初始目标，进行与优化设计相符的约束条件设定，比如建筑裂缝宽度约束、尺寸大小约束、建筑本身强度约束、结构体系相关约束等，逐一对比目标性质的约束条件、实际性质的约束条件，保证每一约束条件与整体建筑结构设计要求相符。

3 建筑结构设计优化方法的应用

3.1 结构设计难点分析

在ASIM集成框架体系中输入勘查结果，得出工程建筑场地类别为中软土场II类，拟建厂区属于地震烈度区划图的七度区，50年超越概率10%的基岩地震动峰值加速度为74.62 cm/s2，对应的地震反应谱特征参数为0.271(阻尼比4%)。由于工程地下室与裙楼平面长度超170 m，为超长结构，在结构设计时需要进行后浇带的恰当规划。同时主塔楼低层平面楼板开洞面积较大，中低层存在2跨柱范围开洞模块，开洞范围框架柱、核心筒之间无联结，极易出现过于薄弱楼板，需要采用弹性膜楼板建构计算模型，并进行薄弱部位楼板的适度加厚处理。除此之外，裙楼外立面体型较为多变，高宽比数值较大，X向侧向与Y向侧向刚度也存在较大的差别，需要设计者探索增加结构延性、提高结构承载力的方案，以保证建筑结构在大震下性能稳定。

3.2 结构设计优化

在ASIM集成框架体系中，设定初始目标为设防地震下外围框架柱抗剪抗弯中震弹性、核心筒剪力墙抗剪抗弯中震弹性、框架梁抗剪抗弯中震不屈服，约束条件为关键构件与耗能构件抗剪、抗弯承载力[2]。在水平地震影响系数最大值为0.246的情况下，不考虑规范规定的构件内力增大与系数调整情况，而是保持框架柱弹性，进行性能水准3计算分析。计算结果为中震作用下最大层间位移为1/340 mm(0°)，基底剪力为62 531.12 kN，基底弯矩为652 142.20 kN/m。分析结果得出核心筒剪力墙在中震作用下未出现屈服，个别框架梁以及连梁出现屈服，需要增加配筋量。

根据工程特点，可以选择框架-核心筒结构(主塔楼)、钢筋混凝土框架结构(外框架)。核心筒为钢筋混凝土核心筒(底部往上截面尺寸最大为700 mm)，均为结构主要抗侧力构件，在核心筒剪力墙四角局部、剪力墙与框架梁连接位置设置了型钢暗梁(水平)、钢质地暗桩(内置)，可以在一定程度上提高建筑结构延性、承载力[3]。在建筑总体结构体系确定之后，借助ASIM集成框架体系分析总体结构稳定性、变形协调倾向。从结构侧移刚度、内力沿高度突变、风载荷作用下层间位移、地震作用下顶点位移等方面，进行对比分析，确定最佳操作方案。比如方案一为钢梁与混凝土筒体全部铰接方式，X向、Y向风荷载作用下层间位移分别为1/1789、4/588；方案二为钢梁与筒体全部铰接，而高层避难层设置两道伸臂钢桁梁形式，X向、Y向风荷载作用下层间位移分别为1/1895、1/720。表明方案一结构Y向刚度稍弱，最大层间位移不合格，方案二可以保证位移满足要求，可以优先选择方案二。

4 结语

建筑结构设计优化强调在建筑结构设计时综合考虑建筑结构安全性、可靠性、基本功能健全性以及建筑本身的性能，具体表现在房屋工程分层结构优化上。设计人员应以尽可能减少质量中心、建筑刚度中心相关性差异为目标，贯彻建筑整体平面结构规则性、对称性理念，开发设计模型集成框架，合理、科学选择设计变量以及相应目标函数。结合约束条件的科学设置，可以满足建筑整体与局部优化、寿命与阶段性优化、桩基础具体优化需求，为预期建筑结构设计优化目标的实现提供保障。