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来源：职称驿站所属分类：建筑设计论文 发布时间：2012-11-14浏览：32次
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。
关键词：高层建筑,结构设计,优化设计
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。
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，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：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。
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力。通过结构优化设计来降低工程造价是控制工程投资的一个有效途径,而正确处理技术与经济的对立统一是控制投资的关键。不能片面强调节约投资,而降低技术和质量标准,又要反对重技术、轻经济,设计保守浪费的现象。建筑结构设计的首要任务是满足建筑功能的需求,实现建筑物适用、 安全、 美观、 经济的目标。
参考文献
[1] 沈蒲生.高层建筑结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2006.
[2] 周 坚.高层建筑结构力学[M].北京：机械工业出版社，2006.
[5] 李 晶，鹿晓阳，陈世英.结构优化理论与方法研究进展[J].工程建设，2007.
《高层建筑结构优化设计探讨》
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文章名称： 高层建筑结构优化设计探讨
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