摘要：隨著社會(huì)的發(fā)展，國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平的提高，不斷增加了建筑工程項(xiàng)目修建的規(guī)模和數(shù)量，也隨之出現(xiàn)了高層建筑。眾所周知，大多數(shù)情況下，高層建筑所需要花費(fèi)的工程成本較多，但是通過(guò)采取合理的手段，能夠在一定程度上將造價(jià)成本降低，并起到結(jié)構(gòu)優(yōu)化的作用。因此，文章圍繞高層建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了闡述，并將一些有效的降低成本的措施提出來(lái)。
關(guān)鍵詞：高層建筑結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；成本降低
1研究背景
伴隨著城市化進(jìn)程的加快，全球經(jīng)濟(jì)一體化形式的構(gòu)成，越來(lái)越多的農(nóng)村人口向城市涌進(jìn)，這無(wú)疑將增大城市的人口壓力和住房壓力，而為了有效地將這些壓力緩解，避免社會(huì)矛盾激化，因而在技術(shù)水平的支持下不斷出現(xiàn)了高層建筑，顯然這在一定程度上將住房壓力緩解了。然而，正如我們所知，技術(shù)是在不斷進(jìn)步的，以往的設(shè)計(jì)方式弊端也會(huì)在使用中不斷顯露出來(lái)，為了更好地保證人們住房的安全，非常有必要對(duì)現(xiàn)有的高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。筆者根據(jù)自身的工作經(jīng)驗(yàn)，在文章中將以A市的某個(gè)高層建筑作為實(shí)際案例進(jìn)行分析闡述。該高層建筑共有10層，30m高，建筑物內(nèi)部各項(xiàng)系統(tǒng)部件構(gòu)成完整。
2關(guān)于未來(lái)高層建筑發(fā)展的趨勢(shì)分析
2.1新型材料的開(kāi)發(fā)與運(yùn)用
科技水平的進(jìn)步，不斷研究和開(kāi)發(fā)出了新型的高性能混凝土材料，在很大程度上改善了傳統(tǒng)混凝土的韌性及強(qiáng)度等級(jí)，尤其是在建筑施工中出現(xiàn)了高強(qiáng)度的混凝土之后，施工人員在施工操作中有效地將結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸減小了，這有助于結(jié)構(gòu)的自重也隨之減小。另外，存在于高層建筑中鋼結(jié)構(gòu)中的FR鋼能夠有效地將高溫時(shí)鐵的強(qiáng)度提高，從而減小鋼材中防火保護(hù)層的厚度，最終使鋼結(jié)構(gòu)在整個(gè)工程建筑中的成本造價(jià)降低了。
2.2逐漸推廣的消能減震和隔震設(shè)計(jì)
現(xiàn)階段，延性結(jié)構(gòu)體系作為傳統(tǒng)的抗震結(jié)構(gòu)體系是在全世界范圍內(nèi)被普遍采用的，我國(guó)也是如此，一直沿用著這樣的結(jié)構(gòu)體系，其通過(guò)適當(dāng)?shù)膶?duì)結(jié)構(gòu)物的剛度進(jìn)行控制，容許在地震時(shí)結(jié)構(gòu)構(gòu)件能夠自行進(jìn)入非彈性的狀態(tài)，并在保持較大延性的情況下，盡可能的將地震能量消耗掉，有利于將地震帶來(lái)的不良反應(yīng)減輕，最終保證建筑結(jié)構(gòu)能夠長(zhǎng)久地佇立而不坍塌。在高層建筑的結(jié)構(gòu)中，是否能夠有效地減震，其前提是需要提前將被動(dòng)耗能的裝置設(shè)計(jì)出來(lái)，以便將一定的附加阻尼或者附加剛度提供給建筑物結(jié)構(gòu)，從而將結(jié)構(gòu)構(gòu)件需要承擔(dān)的那一部分地震能量消耗掉，以便將結(jié)構(gòu)中的動(dòng)力反應(yīng)降低，最終有利于將高層結(jié)構(gòu)建筑中的損傷和變形程度降低。
2.3大力發(fā)展智能建筑這一技術(shù)
在高新技術(shù)和現(xiàn)代建筑技術(shù)產(chǎn)業(yè)的結(jié)合之下，產(chǎn)生了新型的智能建筑產(chǎn)業(yè)。從其自身所具有的特點(diǎn)和應(yīng)用的特性分析，該技術(shù)能夠廣泛地應(yīng)用在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之中。簡(jiǎn)單講就是，服務(wù)、建筑、經(jīng)營(yíng)及裝備等四部分內(nèi)容的結(jié)合體就是智能化建筑，在有效全面的綜合、各自優(yōu)化以及相互關(guān)聯(lián)的情況下，能夠使四者之間達(dá)到最佳的組合狀態(tài)，從而確保建筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是符合高舒適、高效率和高功能的要求的。通過(guò)服務(wù)、結(jié)構(gòu)、管理和系統(tǒng)等四個(gè)基本的要素在智能化建筑中所建立起來(lái)的內(nèi)在聯(lián)系的作用，隨后在優(yōu)化設(shè)計(jì)的利用下，能夠?qū)⒁粋�(gè)高效率運(yùn)用、投資合理的安全、干凈、舒適的環(huán)境空間提供給用戶。若想有效地構(gòu)成智能化建筑，必須同時(shí)具備三大系統(tǒng)，分別是辦公自動(dòng)化系統(tǒng)、設(shè)備管理的自動(dòng)化系統(tǒng)以及通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，只有在這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)背景之下，才能夠?qū)⒁粋�(gè)舒適、安全的工作和生活環(huán)境提供給客戶。
3存在于高層建筑優(yōu)化設(shè)計(jì)中的弊端
現(xiàn)如今，有關(guān)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)已經(jīng)十分成熟，但是將理論基礎(chǔ)應(yīng)用到實(shí)際的施工設(shè)計(jì)和操作中還存在很多的問(wèn)題，這極大地阻礙了高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的進(jìn)一步發(fā)展。
3.1高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工作內(nèi)容復(fù)雜
相較于國(guó)外的高層建筑發(fā)展現(xiàn)狀而言，我國(guó)的高層建筑發(fā)展時(shí)間較短，因而還有很多的實(shí)踐理論在高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中較為缺乏，從基本國(guó)情出發(fā)，符合我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的軟件技術(shù)十分有限。但由于有較多的變量個(gè)數(shù)存在于高層建筑的結(jié)構(gòu)優(yōu)化之中，并且在結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度增大的情況下變量個(gè)數(shù)也會(huì)不斷增加，現(xiàn)有的軟件技術(shù)又難以有效地將被動(dòng)變量和主動(dòng)變量區(qū)分出來(lái)，只能夠簡(jiǎn)單地將相對(duì)最優(yōu)解求出來(lái)，因而在這樣的發(fā)展背景下，難以促進(jìn)高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在我國(guó)的進(jìn)一步發(fā)展。在多方調(diào)查后認(rèn)為，只有多次反復(fù)地尋找探索，才有可能將存在于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的弊端一一解決掉。從總體上分析，極少有一次性設(shè)計(jì)高層建筑結(jié)構(gòu)成功的案例，文章所列舉的這一案例也是在多次反復(fù)的設(shè)計(jì)研究再設(shè)計(jì)以后才成功的，因而從這一方面便可以看出有較大的分析工作量存在于高層建筑的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)之中。
3.2過(guò)多的優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸
在建筑物結(jié)構(gòu)材料、幾何形狀以及荷載給定的情況下，將滿足于設(shè)計(jì)條件的最優(yōu)化構(gòu)件的截面求解了出來(lái)，卻在一定程度上將結(jié)構(gòu)整體的優(yōu)化工作給忽視了，但是從實(shí)際的研究證明中可以看出，更具有實(shí)踐和應(yīng)用意義的就是形狀優(yōu)化。簡(jiǎn)單地說(shuō)便是最優(yōu)結(jié)果的得到是不可能通過(guò)單純的優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其需要做到全方位的考慮。然而大多數(shù)的建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工作人員都認(rèn)為，只需要合理的方案設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)布置，便可以在計(jì)算機(jī)軟件中將準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算出來(lái)，可見(jiàn)，對(duì)于軟土地基的設(shè)計(jì)并沒(méi)有太大意義，這對(duì)于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的最終結(jié)果自然也是難以保證的。
4優(yōu)化設(shè)計(jì)的措施
4.1合理設(shè)計(jì)方法的選擇
首先需要分析建筑物結(jié)構(gòu)的使用性質(zhì)，在各種變量的掌握下，將有效的設(shè)計(jì)方法提取出來(lái)，如：直接優(yōu)化或間接優(yōu)化。其中，材料耗量便是高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)，因而需要從構(gòu)建截面的大小尺寸上分析。針對(duì)于本次案例中所采取的直接優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法，筆者認(rèn)為是合理的，其在已知目標(biāo)函數(shù)變量的情況下，滿足了一定約束的條件。在進(jìn)一步對(duì)高層建筑中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化所具備的條件進(jìn)行分析以后發(fā)現(xiàn)，從現(xiàn)代化建筑設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，滿應(yīng)立法的使用更加有利于優(yōu)化高層建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
4.2發(fā)展于桁架等桿設(shè)計(jì)中的滿應(yīng)力法
其作為準(zhǔn)則法的一種，是最容易理解、最容易操作的。其是在建筑結(jié)構(gòu)有規(guī)定幾何形狀和結(jié)構(gòu)的情況下，根據(jù)滿應(yīng)力法則的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)截面構(gòu)建的尺寸進(jìn)行修改，確保一次的應(yīng)力限值計(jì)算都是在最優(yōu)化的算法中進(jìn)行的。
4.3優(yōu)化設(shè)計(jì)的合理性
需要在實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和常規(guī)做法的遵循下，將初始結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸確定出來(lái)，并在構(gòu)建分類的參照下，將有關(guān)于梁、柱及墻的數(shù)據(jù)庫(kù)分別建立起來(lái)；通過(guò)計(jì)算結(jié)果的提供，調(diào)整構(gòu)建截面的尺寸，并在位移條件的滿足之下，將構(gòu)件材料的性能有效地發(fā)揮出來(lái)。
5總結(jié)
綜上所述，為了更好地滿足人們的要求，與社會(huì)的發(fā)展相適應(yīng)，就必須進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在合理設(shè)計(jì)方式的選擇下，充分地將結(jié)構(gòu)構(gòu)件的作用發(fā)揮出來(lái)。
作者:張海良 單位:福建經(jīng)福建筑設(shè)計(jì)工程有限公司廈門分公司
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