梁永順

（中色科技股份有限公司河南洛陽　471000）

淺談高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

梁永順

（中色科技股份有限公司河南洛陽471000）

隨著城市化進程的不斷推進和建筑技術(shù)的不斷提高，高層建筑日益成為化解短缺的城市建筑用地面積，提高建筑用地使用效率的重要途徑。高層建筑工程具有工程造價成本高，技術(shù)含量高和工程施工成本高等特點，對高層建筑結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計有助于降低高層建筑的施工成本，提高高層建筑的施工質(zhì)量和高層建筑的質(zhì)量和水平。因此，加強對高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的研究日益成為我國建筑行業(yè)的發(fā)展的共識。本文分析了目前高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計發(fā)展的趨勢，對高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化中存在的主要問題進行了梳理，并提出了高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的方法。

高層建筑；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；工程設(shè)計優(yōu)化

經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展促使建筑行業(yè)發(fā)展高層建筑來化解日益緊張的城市建筑用地面積。因此，加強高層建筑在建筑工程建設(shè)的比例能夠有效化解城市用地緊張的現(xiàn)狀，滿足我國經(jīng)濟社會發(fā)展需要。改革開放以來，我國高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計理論和技術(shù)進一步的發(fā)展，和我國高層建筑的施工實際的結(jié)合也越來越緊密，涌現(xiàn)出了一大批具有較高質(zhì)量水平的高層建筑工程。因此，本文結(jié)合國內(nèi)外高層建筑的發(fā)展趨勢，對我國目前高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的主要問題進行了梳理，并有針對性的提出了高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的具體實現(xiàn)路徑，希望能夠?qū)ξ覈邔咏ㄖY(jié)構(gòu)設(shè)計的發(fā)展有所幫助。

1　現(xiàn)階段高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的發(fā)展主要趨勢

1.1鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的運用

隨著我國經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展和高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計理論的不斷完善和提高。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)因其具有整體結(jié)構(gòu)好、耐高溫腐蝕，后期維護成本低等諸多優(yōu)點而引起了高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計人員的關(guān)注。此外，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的工程造價成本還遠低于單純的鋼結(jié)構(gòu)。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計所需要的高強度混凝土和鋼管混凝土等設(shè)計和施工理論得到完善和發(fā)展，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的運用越發(fā)成熟。因此，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的運用是現(xiàn)階段我國高層建筑設(shè)計發(fā)展的第一個趨勢。

1.2高層組合建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展日益迅速

隨著我國建筑工程設(shè)計技術(shù)和施工技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，高層組合建筑結(jié)構(gòu)的應(yīng)用也越來越普遍。實踐經(jīng)驗證明，高層建筑組合結(jié)構(gòu)因其具有降低高層建筑結(jié)構(gòu)的造價和施工成本，提高高層建筑的設(shè)計和施工進度，節(jié)約工程原材料的使用等諸多優(yōu)點得到了建筑行業(yè)有識之士的青睞。此外，在低碳節(jié)能發(fā)展成為整個社會發(fā)展共識的今天，具有科技含量高，工程施工污染少和建筑原材料利用程度高等特點的高層建筑也日益得到了整個社會的追捧。在建筑工程質(zhì)量安全重于一切的今天，具有較高科技含量和較高質(zhì)量安全的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的組合高層建筑組合設(shè)計也在交通和建筑工程等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，這些都進一步顯示了組合高層建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展的前景也越來越廣闊。

1.3智慧建筑設(shè)計嶄露頭角

21世紀是高新技術(shù)得到廣泛應(yīng)用的世紀。不斷發(fā)展的現(xiàn)代高層建筑設(shè)計技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)高新技術(shù)的結(jié)合促進了我國智慧建筑的設(shè)計和發(fā)展，并日益顯現(xiàn)出更為廣泛的應(yīng)用前景。智慧建筑是高層建筑應(yīng)用技術(shù)的進一步發(fā)展，能夠?qū)崿F(xiàn)建筑和服務(wù)等要素的優(yōu)化，并通過計算機軟件的組合實現(xiàn)更高效率的資源配置。因此，智慧建筑是通過建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計、建筑工程施工技術(shù)和建筑工程后期維護三者之間的高效率的組合和分配來提高高層建筑的建筑功用，從而為高層建筑的居住者提供一個更加優(yōu)良和更加智慧化的高層建筑居住和辦公環(huán)境，從而實現(xiàn)高層建筑的智慧化。

2　現(xiàn)階段我國高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計存在的主要問題

縱觀我國高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的最新發(fā)展趨勢，高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的有關(guān)理論和施工技術(shù)得到進一步提高和發(fā)展，但高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的實際應(yīng)用還比較滯后，高層建筑土木工程的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計還有很長的路要走。

2.1忽視整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，片面重視結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化

高層建筑的結(jié)構(gòu)優(yōu)化是一個系統(tǒng)性全局性的工程，片面重視哪一方面都不利于高層建筑結(jié)構(gòu)的整體發(fā)展。部分高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計人片面重視高層建筑結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化，片面的追求建筑工程材料的節(jié)省，從而忽視了建筑工程整體的優(yōu)化。此外，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計人員錯誤的認為片面的結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化對于高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要意義，忽略了高層建筑形狀設(shè)計優(yōu)化在高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化中所起到的重要作用。與此同時，設(shè)計人員片面重視上層結(jié)構(gòu)部件的設(shè)計工作，缺乏對高層建筑地基設(shè)計應(yīng)有的關(guān)注，這也在一定程度上制約了高層建筑土木結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的進一步發(fā)展。

2.2高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標有待完善

三十年如一日，鄭州先科腳踏實地，以為農(nóng)服務(wù)為初心，以創(chuàng)新發(fā)展為核心驅(qū)動力，走過了屬于鄭州先科的不平凡的30年，也取得了諸多成就，獲得了與會領(lǐng)導嘉賓的高度肯定。他們認為，當前行業(yè)發(fā)展面臨著諸多壓力，無數(shù)企業(yè)退出，先科能夠在30年中始終保持良好的發(fā)展勢頭很不容易，也定有其過人之處。未來，希望先科能夠不忘初心、創(chuàng)新發(fā)展，一如既往地為我國“三農(nóng)”事業(yè)的發(fā)展貢獻力量。

高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在諸多的變量，結(jié)構(gòu)設(shè)計中也存在這樣那樣的問題，高層建筑結(jié)構(gòu)目標也對其起著十分重要的制約作用，這也就在很大程度上制約高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計目標的進一步完善。此外，目前我國還沒有研發(fā)出來實用程度高的高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析軟件，現(xiàn)有的高層結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計軟件也也無法很好的解決高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中遇到的各種問題。因此，高層建筑結(jié)構(gòu)中部件設(shè)計的計算分析往往和實際存在較大的差距，從而增加了工程造價成本和工程施工時長。

3　高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的主要方法

根據(jù)筆者的經(jīng)驗，高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法的選擇應(yīng)該遵循以下路徑：

3.1分析結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計函數(shù)，尋求最優(yōu)解

無論高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計如何變化，高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化都是目標函數(shù)和各種變量的組合。因此，我們完全可以通過數(shù)學模型來對這些函數(shù)進行定量研究，根據(jù)約束條件的的限制和高層建筑結(jié)構(gòu)的總體目標來綜合確定高層建筑優(yōu)化方案的選擇。一般情況下，高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化的最為直接的目標就是降低高層建筑結(jié)構(gòu)施工材料的使用量，從而降低高層建筑結(jié)構(gòu)的施工成本。原材料截面的大小是影響原材料使用數(shù)量的最為重要的因素，而原材料截面的大小又直接關(guān)系到高層建筑的質(zhì)量和安全。因此，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計人員可以通過使用相應(yīng)的計算軟件來分析高層建筑原材料界面面積。結(jié)構(gòu)設(shè)計人員通過設(shè)定預(yù)期的高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標，通過設(shè)定合適的數(shù)學模型，相關(guān)數(shù)據(jù)的運算和分析使得其在滿足一定約束條件的前提下求得最優(yōu)目標解，并通過對最優(yōu)目標實現(xiàn)的路徑的研究來達到高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計目標函數(shù)的最優(yōu)解，從而有效的滿足高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的需要。

3.2滿應(yīng)力設(shè)計法的應(yīng)用

作為建筑工程優(yōu)化設(shè)計中重要的一種設(shè)計方法，滿應(yīng)力設(shè)計方法因其諸多優(yōu)點而到了日益廣泛的運用，下面我簡單介紹滿應(yīng)力設(shè)計方法的具體操作步驟：

①根據(jù)工程設(shè)計目標和施工要求確定高層建筑結(jié)構(gòu)各部件和工程材料的截面尺寸，并根據(jù)各建筑材料使用的不同分門別類歸納建庫。②根據(jù)結(jié)構(gòu)力學的有關(guān)知識，建筑工程設(shè)計人員設(shè)計出高層建筑各部件的受力情況，并計算出各工程部件的最大受力。建筑工程設(shè)計人員要在限定條件下通過對建筑建筑工程結(jié)構(gòu)和建筑原材料尺寸的調(diào)整來確定最佳的組合方式，盡最大可能發(fā)揮建筑工程原材料的性能。③根據(jù)計算的建筑結(jié)構(gòu)部件的情況來進行相應(yīng)的調(diào)整，并據(jù)此統(tǒng)計出建筑截面調(diào)整的數(shù)量，根據(jù)建筑工程設(shè)計的目標修改有關(guān)參數(shù)并進行進一步計算，直到建筑工程預(yù)期目標和工程材料目標之間達到平衡。④根據(jù)前面的模擬運算得到最優(yōu)解，輸出高層建筑結(jié)構(gòu)各部件所需要的具體截面尺寸等具體參數(shù)。

目前，我國并沒有成熟的滿應(yīng)力計算的軟件。建筑工程人員應(yīng)該根據(jù)工程設(shè)計的總體目標，通過不斷調(diào)整建筑結(jié)構(gòu)各部件的具體參達到有工程設(shè)計的目標。但是這種方法對工程設(shè)計人員素質(zhì)的要求比較高，工作量和復雜程度也比較大，有的時候甚至會超出工程設(shè)計人員的能力。因此，加強對滿應(yīng)力計算軟件的研發(fā)就顯得尤為重要。

4　總結(jié)

社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展和建筑工程技術(shù)的不斷進步，對我國建筑行業(yè)的發(fā)展提出了更高的要求。高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案作為一種優(yōu)化設(shè)計方案對于降低高層建筑工程施工成本，提高工程施工單位的經(jīng)濟效益和社會效益都具有重要的意義。因此，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計人員要加大研究力度，努力提高自己的研究水平和研究能力，從而實現(xiàn)高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的跨越式發(fā)展。

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TU318

A

1673-0038（2015）09-0017-02

2015-2-15

梁永順（1982-），男，工程師，本科，主要從事建筑結(jié)構(gòu)方面的工作。