1 建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計概論

1．1 建筑結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化的概念及基本原則

建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計是指在滿足各種規(guī)范或一些特定的條件下，建筑結(jié)構(gòu)最優(yōu)的設計方法。要對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計，首先必須確定追求的目標，例如質(zhì)量最小、造價最省、地震作用最小等。建筑結(jié)構(gòu)設計首先應該遵守國家、行業(yè)現(xiàn)行的有關(guān)標準，并應結(jié)合工程實際情況，做到經(jīng)濟合理、安全適用。建筑結(jié)構(gòu)設計的基本原則是必須滿足建筑結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性。

1．2 建筑結(jié)構(gòu)分析的基本假定及優(yōu)化意義

高層建筑結(jié)構(gòu)是由豎向抗側(cè)力構(gòu)件通過水平樓板連接構(gòu)成的大型空間結(jié)構(gòu)體系。對計算模型引入不同程度的簡化方法時，用到彈性假定，小變形假定，剛性樓板假定以及計算圖形的假定。建筑結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化的意義是建筑結(jié)構(gòu)的設計優(yōu)化在安全的基礎上求得更大的經(jīng)濟效益。以先進的結(jié)構(gòu)分析設計方法為手段，對結(jié)構(gòu)設計進行優(yōu)化、調(diào)整、改善與提高，也就是對結(jié)構(gòu)設計再加工的過程。

1．3 建筑結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化的必要性

(1)在建筑施工建設總成本中建筑結(jié)構(gòu)造價處于重要位置，結(jié)構(gòu)投資控制管理成為當今建筑業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

(2)房地產(chǎn)市場競爭日趨激烈，只有通過結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化減少重復的資金投入，才能在房地產(chǎn)市場的價格戰(zhàn)中占據(jù)有利態(tài)勢。

(3)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計不僅降低了工程建設的成本，還針對結(jié)構(gòu)設計存在的不足給予了改進，提高結(jié)構(gòu)的可靠性。

(4)合理的選用結(jié)構(gòu)材料是必須的，充分發(fā)揮材料的性能與強度潛力，達到用最小用料發(fā)揮最大效能的目的。結(jié)構(gòu)材料要用在需要的位置，盡最大限度發(fā)揮材料的效率，從某種意義上也可以這樣說，節(jié)約就是結(jié)構(gòu)設計的優(yōu)化。

2 框架－核心筒結(jié)構(gòu)的設計及優(yōu)化

2．1 框架－核心筒結(jié)構(gòu)的主要特點

核心筒就是建筑的核心部分，由樓梯、電梯井道、電纜井、通風井、公共衛(wèi)生間、部分設備間等維護部分構(gòu)成，和外圍框架相照應，兩者從形式上構(gòu)成內(nèi)外結(jié)合的外框內(nèi)筒，這種結(jié)構(gòu)實際上是由鋼筋混凝土來澆筑完成的。其抗地震能力強，目前已經(jīng)大范圍的應用于高層、超高層建筑中去。其他的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢在于空間廣闊，服務性能好，利于想中央聚集，使得采光條件優(yōu)越，得益于諸多優(yōu)點，不僅使得視線廣闊，而且內(nèi)部行走順暢，幾乎無阻礙。筒體具有很大的抗側(cè)能力和抗水平推力，核心筒體部位的實腹筒承受大部分水平荷載，豎向荷載則主要靠框架來承擔?？蚣埽搀w結(jié)構(gòu)中，筒體在水平荷載作用下，層間位移自下而上逐漸增大，在結(jié)構(gòu)頂部達到最大值，其側(cè)移曲線呈彎曲型分布?？蚣茉谒胶奢d作用下主要以剪切變形為主，其層間位移自下而上逐漸減小，在結(jié)構(gòu)底部達到最大。由于框架－筒體結(jié)構(gòu)收到樓板的剛性約束，迫使二者層間位移趨于一致。筒體頂部和框架底部的最大層間位移相應減小，整體結(jié)構(gòu)各層的層間位移數(shù)值趨于均勻。

2．2 框架－核心筒的分析方法

理想的核心筒，可看作一豎向懸臂構(gòu)件，整體性較強，內(nèi)力及變形完全符合懸臂構(gòu)件的理論計算結(jié)果。對筒體結(jié)構(gòu)進行分析時，可采用以下三類分析法:等效連續(xù)化、等效離散化和三維空間分析法。第一種方法是將離散桿件經(jīng)過變換及推導，變?yōu)檫B續(xù)構(gòu)件。這可以通過兩種方法來實現(xiàn)，其中一種為在幾何上做文章，使其連續(xù)化，并引用相應的函數(shù)建立相應的模型;一種為對幾何分布和物理分布同時做文章，使其連續(xù)化，這樣對于彈性薄板，能夠采取n種可行的分析途徑。與連續(xù)化方法相對應的是等效離散化方法，其方法步驟為將連續(xù)變?yōu)殡x散，并尋找相應的結(jié)構(gòu)理論達到力學分析的目的。

在分析筒體結(jié)構(gòu)體系時，如果完全按照三維空間結(jié)構(gòu)，運算精準，一般采用空間桿－薄壁桿系矩陣位移法。其操作步驟為:首先運用理論基礎，把高層建筑看作是空間桿系結(jié)構(gòu)來處理，這種結(jié)構(gòu)有多單元構(gòu)成，包括空間柱元、空間梁元以及薄壁柱元。前兩個元的節(jié)點都是有6自由度。核心筒比空間桿多了一個翹曲自由度，所以每端節(jié)點有7個自由度，剪力墻也是如此。與二維計算對比，三維空間有更高的分析精度，但是由于未知量較多，使工作的計算量增大。為了簡化計算，將剛性樓板假定納入以降低計算的復雜程度，假定同樓面薄壁柱翹曲角相等，自由度減少，此法應用廣泛。

3 結(jié)語

(1)通過優(yōu)化可使設計做到結(jié)構(gòu)布置更合理，解決結(jié)構(gòu)設計不合理問題，消除施工過程出現(xiàn)的安全隱患，設計優(yōu)化著力于建筑結(jié)構(gòu)體系的合理化和高新技術(shù)的應用，從而帶來更多的效益。

(2)目前設計市場比較混亂，設計優(yōu)化是非常有必要的，它不僅有利于節(jié)約成本，減少浪費，也是投資方、建設方的追求，更是優(yōu)秀設計團隊和優(yōu)秀設計師的追求。

趙魯新，趙云鵬，山東科技大學土木工程與建筑學院，山東青島266590