关于高层建筑结构优化设计的探析

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1、关于高层建筑结构优化设计的探析摘要：文章根据多年工作经验，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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、，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