高层建筑结构优化设计探讨

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 高层建筑结构优化设计探讨 摘要：随着我国经济的发展，高 层建筑也日益增多。一般来说，高层建 筑的造价较高，但是通过结构优化可以 减少工程造价，并能使高层建筑结构更 加合理。本文将分析高层建筑的发展方 向以及目前高层建筑优化设计过程中出 现的问题，并提出一些建议。 中国论文网 /2/view-12897286.htm 关键词：高层建筑、结构设计、 优化设计 Abstract: with the development of our national economy, high-rise buildings are increasing. Generally speaking, the high cost of the high-rise building, but through the structure optimization can -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 reduce the construction cost, and can make the high-rise building structure more reasonable. This article will analyse the development direction of the high-rise building and the present high building optimal design process problems, and puts forward some Suggestions. Keywords: high building, structure design, optimization design 中图分类号： S611 文献标识码： A 文章编号： 随着社会经济的不断发展，城市 人口的不多增加以及建设用地的日趋紧 张，使得高层建筑如雨后春笋般发展。 从现在的建筑水平来说，高层建筑或高 层住宅是今后整个建筑业的重点。所以 高层建筑结构优化设计的重要性就日益 凸显出来。 所谓结构优化设计，就是指工程 结构在满足约束条件下按照预定目标求 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 出最优方案的设计方法。 一、高层建筑的发展方向 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、隔震和消能减震设计得到推 广 目前我国和世界各国普遍采用的 传统抗震结构体系是“ 延性结构体系 ”， 即适当控制结构物的刚度，但容许结构 构件在地震时进入非弹性状态，并具有 较大的延性，以消耗地震能量，减轻地 震反应，使结构物“ 裂而不倒 ”。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 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 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、智能建筑技术得到发展 现代建筑技术和高新技术产业的 结合促成了智能建筑的产生，在高层建 筑中有更广阔的应用前景。智能建筑是 建筑、装备、服务和经营四要素各自优 化、相互联系、全面综合并达到最佳组 合，以获得高效率、高功能与高舒适的 建筑物。智能建筑是通过对建筑物的 4 个基本要素，即结构、系统、服务和管 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 效率的幽雅舒适、便利快捷 高度安全 的环境空间。智能建筑的构成至少必须 具备三大系统：设备管理自动化系统、 通讯网络系统、办公自动化系统，并以 此应用现代 4C 技术构成智能建筑结构 与系统，结合现代化的服务与管理方式 给人们提供一个安全、舒适的生活、学 习与工作环境空间。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 二、高层建筑优化设计过程中出 现的问题 目前，结构优化的应用远远落后 于理论进展，特是高层建筑土木建筑结 构的优化设计应用还不普遍。其主要原 因有： 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、只重视结构尺寸的优化(即在 给定结构的几何形状、荷载和材料的情 况下，求出满足约束条件的最优构件截 面)，而忽视结构整体的优化。现在结 果表明，形状优化比尺寸优化更有意义。 单纯的尺寸优化无法接近最优的结果， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 也不能令人信服。设计人员较普遍地认 为，结构设计只要结构方案和布置合理， 结构又有比较成熟的计算机软件进行分 析计算。构件截面只要通过计算结果满 足规范即可，认为上部结构相对下部结 构，即地基基础部分，特别是软土地基 的意义不大，因此对上部结构截面的优 化所能达到的经济效益未予以足够的重 视。 3、对离散变量无法做出准确的 分析。建筑物尺寸以及钢筋、型钢规格 型号等都不是连续变化的，因此，传统 的优化方法，如各种梯度算法、对偶算 法等解析算法均无法胜任。而且，由于 问题的规模较大，随之带来的计算量急 剧增加的“组合爆炸 ”问题也会使计算量 急剧增加。 三、高层建筑结构优化设计的方 法 (1)对高层建筑结构方案进行优化 采用何种方法，首先应分析这一问题的 目标函数、目标函数中的各种变量，这 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 些变量之间的各种数学解析关系以及与 各种变量有关的约束条件，在分析的基 础上是采用间接优化还是直接优化方法 来确定。高层建筑结构方案优化的目标 就是材料耗量，材料耗量决定于构件的 截面尺寸大小，截面尺寸必须满足通过 力学分析得到各构件内力后的强度计算 及位移变形等条件。因此，目标函数很 难用明确的数学解析式来表达，不能用 数学上求极小值的方法，也就是一般所 说的间接优化方法来优化。高层建筑结 构方案的优化只能采用直接优化法来解 决，即给目标函数中变量以已知值，经 过试算使其满足一定的约束条件，求得 其目标值，并找出使目标值逐步变小而 趋向最佳值的路线或方向，以达到目标 函数的最优值。因此，可以采用满应力 法进行高层建筑结构优化设计。 (2)满应力设计法是在桁架等杆系 结构的设计中发展起来的，是结构优化 中最简单、最易为工程人员理解的一种 准则法。所谓满应力是指结构构件在荷 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 载作用下的最大应力达到所用材料的容 许应力，此时材料的强度得到充分利用， 构件截面面积将是最小，故可作为桁架 最轻设计或体积最小设计的一个准则。 满应力设计法是结构在规定材料和几何 形状的条件下，按照满应力准则的要求， 修改构件的截面尺寸，使每一构件至少 在一种工况下达到或接近其容许应力限 值的优化算法。如果结构除了应力约束 外还有界限约束，则要求每一构件应力 约束和界限约束中至少有一个达到临界 值。 (3)利用满应力设计法进行高层建 筑的结构优化设计要遵循以下步骤： 要根据常规做法和经验确定结构构件的 初始截面尺寸，并按构件分类分别建立 柱、墙、梁可供选择截面尺寸的数据库； 要对结构构件进行力学分析，算出 各工况下结构的位移及内力，并对结构 构件进行承载力计算； 要根据计算 结果，对构件截面尺寸进行调整，在满 足位移条件的前提下，尽量充分发挥构 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 件材料的性能，即按规范计算使其接近 满应力状态。 总之，由于目前我国高层建筑发 展迅速，在其结构设计中经常遇会到各 种问题，这就需要结构设计人员不断地 积累经验，自主创新，利用正确概念进 行结构设计。因此，结构工程师必须在 每一个工程项目的设计中都能做到不断 地探求自然法则，不懈地追求相对的最 优，要通过反思比较，在经验积累中不 断提高自己的判断力和创新