关于高层建筑结构优化设计的探析

　　摘要：文章根据作者多年工作经验，对高层建筑结构的优化设计进行了探讨，希望对从事相同工作的同行有所裨益。
　　关键词：高层建筑；结构；优化设计
　　1工程优化设计理论的发展
　　(1)工程设计软科学的发展。实际上，人们在处理事物时都会遇到硬、软两种因素。硬因素就是有实体的物质系统中的一些因素；软因素就是精神意识系统中的一些因素。软科学和硬科学的区分是相对的，不应该也不可能给出截然划分的界限。目前的工程设计主要侧重于力学分析，具有硬科学的性质。力学分析只是荷载决定后计算结构力学反应的一种手段，是工程设计所使用的工具之一。在工程设计中，更重要的是必须进行很多运筹、决策和规划的工作，这些工作具有软科学的特点。所以，工程设计应该是硬科学和软科学的结合，这就需要建立全面的、崭新的工程设计理论。在土建工程设计的前期，有许多重大的问题需要进行科学的决策，包括工程项目的可行性论证、工程项目的总体规划及功能优化、结构的造型、结构设防水平的决策等。所有这些前期的决策工作，其影响都远大于目前的以结构计算为主的优化设计工作。
　　(2)工程项目功能优化的发展。在经过可行性论证决定了工程项目的任务、规模、建设地点、建设分期等重大问题之后，就需要考虑工程建设的总体布局及规划，这也是一个重大的决策，直接影响工程的社会和经济效益、运行的功能和对环境的美学效应。在优化整个工程项目的功能时，可以利用价值工程的某些概念和手段来改善现有的方法。价值工程是一门软科学，依靠集体智慧有组织地研究系统的功能，揭示系统中的必要功能与总成本间的最佳匹配。价值工程的基本观点是对产品及其各个组成部分进行功能分析，在很多情况下，这样做都是很有好处的，因为人类制造任何产品，实际上是为了使用该产品的功能，例如，兴建电视塔、水塔等高耸构筑物是为了求得一个工作高度，兴建房屋是为了提供一个工作、生活和娱乐的空间，兴建桥梁是为了求得一个跨越的媒介，兴建雕塑是为了美学享受或某种纪念。在进行工程项目的总体规划时，从功能出发，可以开拓视野，减少习惯的束缚。
　　(3)工程结构系统全局优化的发展。各个结构独立优化和拼凑而成的工程系统并不一定优化，只有当工程系统中各个结构之间不存在任何横向约束时，各结构的独立优化才形成工程系统的优化。只有从大系统全局进行优化，才能真正收到优化的效果。近些年，在解决抗灾结构优化设计方法的实用化问题上，研究者以设防烈度Id作为优化参数，并且比较容易和切实地将结构造价C(Id)和损失期望L(Id)表为结构设计方案。x(Id)的函数，原因在于现行规范将抗灾结构的失效简化为单失效模式，并以地震烈度度量结构抗力和地震的作用，这就使结构的优化得到了极大的简化。此外，现行规范得以合理地提出了三级失效准则。结合这两个举措，就形成了国内外所共识的“小震不坏，中震可修，大震不倒”的设计原则。
　　(4)工程项目全寿命优化的发展。以往的优化设计理论针对的都是具体的结构，而在工程实际中，一般都是整个工程大系统的优化设计问题，其由众多子系统或者结构组成，具有高维数、多目标、变量种类多、约束祸合复杂等难点，故其子系统的独立优化并不能带来整个大系统的优化方法。实际的工程系统优化模型往往预先不知道，需要通过子系统或者结构的具体优化模型来构造大系统的全局优化模型。工程的全系统全寿命优化就是考虑了工程系统中的动态可靠度与模糊因素，在各个阶段的优化中都应该以工程项目的全局作为优化对象，而各个单元的优化必须在总体全局优化的指导下进行。这是一个从工程项目可行性开始，直至工程设施报废全过程的优化体系，优化目标不仅包括近期的投资和效益，还包括长远的经济和社会效益，后者包括服役期间使用单位企事业运营的直接经济效益的期望值和遇到灾害时工程失效带来的损失的期望值。
　　2高层建筑结构优化设计中存在的问题
　　目前，结构优化的应用远远落后于理论进展，特别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)只重视结构尺寸的优化，即在给定结构的几何形状、拓扑和材料的情况下，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。已有的研究结果表明，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，因此，也就不能完全令人信服。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，上部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充分的重视。
　　(2)优化的目标还不能完全符合工程的需要。由于实际结构问题往往十分复杂，存在设计变量多、约束条件多、受建筑功能限制较大等难点，多种因素甚至不确定性因素使得目标函数在建立后只能得到相对最优解。而且，目前尚没有实用的高层建筑优化分析软件，而应用现有的各种计算机分析软件进行截面优化并不是简单的几次尝试就能达到效果的，因此，无论是机时，还是设计进度，都较难允许实施这种优化方法。很多高层建筑设计项目，结构方案和布置还是比较合理的，其构件截面也是同类型结构中常用的尺寸，但是计算分析后还存在某些薄弱环节，为了改善这种受力状况，增大构件截面却未能得到明显改善，反而增加了材料耗量。
　　(3)离散变量优化问题。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。
　　3高层建筑结构优化设计的方法
　　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。满应力设计法是在析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，故可作为析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。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：①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；②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；③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，尽量充分发挥构件材料的性能，即按规范计算使其接近满应力状态，但截面选择应在指定的数据库中进行，并统计截面需修改的个数；④根据修改截面的数量、性质，由人工干预决定或指定一个限值自动决定是否重新计算，即返回到第二步计算，如此循环反复，直到满足要求为止；⑤输出最后优化的构件截面尺寸及计算结果。
　　4结束语
　　按以上步骤，可编制完整的高层建筑结构优化分析软件，但在软件研制中，如何尽量减少内存、加快运算速度，需做大量工作，才能使之达到较为实用的程度。当前，在无成熟的优化分析软件的情况下，应用现有的高层建筑结构分析软件，采用人工分析调整构件的截面尺寸，进行反复运算，也可达到优化效果，但费工费时，较难满足设计进度要求，而且对设计人员的素质要求较高，需要有较高的分析判别能力，当结构布置较复杂时，不仅工作量大，而且有时甚至无法将优化工作进行下去，因此，人工方法只是目前一个暂时性的过渡办法。

《关于高层建筑结构优化设计的探析》

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