高层建筑方案设计中结构体系的确定.doc

本文由小雨林101贡献pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。高层建筑设计与工程实践高层建筑方案设计中结构体系的确定石建光 花林林（厦门大学建筑与土木工程学院，福建 厦门 361003）1 高层建筑结构体系的确定方法对于整个建筑工程而言，设计阶段是工程建设全过程中投资控制的重点 ，由图 1 可见节约建 设成本的可能性在设计准备阶段和设计阶段由 100%迅速降低，至施工开始已降至 10%左右。因此， 2 控制建设成本的关键在于设计准备或方案设计阶段 。1图 1 设计各阶段对项目投资的影响 资料来源: 许晓芳： 房地产开发的建安成本控制要从规划设计阶段抓起 ，当代建设,1999 年。对于高层建筑，依据结构高度选择合理的结构体系和恰当地设计选择建筑物的平面形状、剖面 3 和总体型，都是在初步设计阶段由建筑确定的 。结构设计总是在建筑师大体完成了建筑设计方案 之后再介入的，针对建筑方案提出结构方案。而在建筑设计阶段确定的建筑体型等因素的改变，都 4 将引起结构受力的改变，对于高层建筑影响尤为显著 。如在建筑物方案设计时，改变了受风面的 形状，建筑物所受的风荷载及其合力作用点将会引起相应变化；改变建筑重力荷载分布特征，建筑 物所受的水平地震作用及其合力作用点也会引起相应的变化。 如果建筑设计人员在进行平面设计和 竖向设计构思时，不依据基本的结构设计技术原理和有关结构的受力特性，往往会使结构工程师不 5 能有效地选择合理的结构体系，导致结构的不稳定等问题 。结构设计成为在建筑设计方案被提出 后进而寻求结构上的解决方案， 使结构师的作用降低到在建筑师提出建筑形式以后去寻求结构上的 6 解答，使结构设计完全处于从属地位 。 目前国内外高层建筑结构体系的确定方法主要有如下几种:1.1 专家讨论专家们根据以前从事过的丰富的设计案例，从一些重要的结构设计参数考虑，直觉选定出一个 或几个可能成为满意解的方案，然后专家会对这些方案作进一步的推敲，从而裁决出认为满意的方 案。这种方法具有较强的主观性，很难考虑到所有影响结构选型的因素,且难于组织7。1.2 基于规范与列表的初选如我国建筑抗震设计规范 有规定适用的钢筋混凝土房屋的结构类型和最大高度（表 1） ，国外 9 10 11 。 Fintel , Schueller , Taranath 等人也总结和概括了各结构类型最佳的适宜层数（表 2）81高层建筑设计与工程实践表 1 现浇钢筋混凝土房屋适用的最大高度（单位:m）结构类型 框架 框架-抗震墙 抗震墙 框架-核心筒 筒中筒6 60 130 140 150 180设防烈度 7 8 55 45 120 100 120 100 130 100 150 1209 25 50 60 70 80资料来源：建筑抗震设计规范.中国建筑工业出版社，2001 年 表 2 现浇钢筋混凝土房屋适用的最大高度（单位:m）结构类型 框架结构 框架-剪力墙结构 剪力墙结构 混凝土结构 框筒结构 筒中筒结构 束筒结构 框架结构 桁架结构 钢结构 框筒结构 桁架筒结构层数 20 30 50 55 70 80 30 40 80 100资料来源: Fintel, Schueller, Taranath：文献91011，1985-1988 年。这种方法虽然直观，给出各结构最大上限高度或层数,但当有多个满足上限要求的备选结构型 式时,没给出对其性能进行比较或评价的性能指标体系及其评价标准与评价方法,仍需设计者凭主 观判断来优选结构型式。且仅考虑了建筑物高度或层数因素，而事实上高度和层数应该同时控制结 构选型,且忽略了功能、场地等其他影响因素。1.3 综合模糊评定的方法中国建筑科学研究院何广乾提出了对高层建筑的适宜结构体系进行综合模糊评定的方法 体计算分为三项内容： 13 （1）根据建筑物的总层数和建筑功能，建立关系矩阵12。 具（2） 根据建筑物的功能，选择权量 A；A 为各类建筑物的加权向量，可由设计者全面权衡确定。 当缺乏倾向性意见的条件下，可按下列加权向量采用： 高层公寓 A=（1，1，0.3，0.1，0.2，0） 高层旅馆 A=（1，0.3，1，0.2，0.1，0） 高层办公楼 A=（1，0.2，0.2，1，0.3，0） 公共建筑 A=（1，0.3，0.2，0.3，1，0.3） 综合楼 A=（1，0.3，0.3，0.3，0.3，1） （3）求综合模糊评定向量 B = A RN 。 据此可判定拟选高层建筑结构体系的类型。这种方法虽然考虑了建筑的层数和功能等因素，基 于了一定的计算， 但各权量取值仍很随机和主观， 而且未能考虑到场地等其他影响结构选型的因素。RN = ? s a h o p e ? ? ?T1.4 概念设计“概念设计”首先由美籍华裔著名的土木工程专家林同炎先生明确提出，主要阐明怎样利用整 体方法按设计阶段进行结构体系设计的问题。概念设计的宗旨是：在特定的建筑空间环境和地理条2高层建筑设计与工程实践 件下，用整体概念来考虑结构的总体方案，并有意识地发挥和利用结构总体系与各基本分体系之间 的力学特性及关系。 在建筑设计的方案阶段，采用概念性近似计算方法，能迅速、有效地对结构体系进行构思、比 较与选择，这种方法虽有一定误差，但概念清楚、定性准确、手算简单快捷，能很快选择出最优方 案和确定主要构件的基本尺寸大小。同时，也是施工图设计阶段判断计算机内力输出数据可靠否的 1415 。 概念设计要求在设计过程中始终贯穿和应用结构概念， 是一种定性而非定量的分析， 主要依据 是一个结构方案设计的基础，对建筑物的安全性和经济性将产生重大的影响，这并非某条梁或某块 16 板减少配筋量所能比拟的，因此在方案设计阶段就运用概念设计的思想是非常必要和及时的 。 但概念设计将结构简化为一整体构件（如悬臂梁构件） ，对结构来讲计算过于粗糙，且这种简 化的结构模型难以符合所有建筑的结构特征，始终属于较定性地判别，随着业主对建筑设计的性价 比要求越来越具体，概念设计显示了其局限性，需要较定量的设计初选结构体系的程序在方案阶段 辅助设计。1.5 专家系统为解决结构方案设计阶段智能化设计，已提出各种专家系统(expert system)，如基于知识的 （knowledge-based）,基于实例的（case-based） ，基于规则的（rule-based）等等，采用了模糊推理、 神经网络、遗传算法等等，也有将不同技术综合应用的计算机辅助设计。 计算机辅助设计很好地利用了以往设计实例中解决结构方案设计问题时所使用的知识、策略、 经验与有关规范规定等方面的信息，但要使实例库完备，需要很大的工作量搜集各种建筑实例，容 易造成知识瓶颈，且一般很难找到建筑方案与场地条件与以往实例完全匹配的建筑；且随着设计技 术的进步， 设计规范的改进， 一味只是参照以往设计实例设计建筑结构， 也容易导致结构设计雷同， 17 滞后，缺乏创新 。所以虽然开发了很多基于专家系统的设计软件，但几乎都没能广泛地运用到实 际工作中去。1.6 结构优化设计结构的常规设计是先提出设计方案，计算荷载响应，人工调整设计改善结构效率，同时满足各 种规范的设计要求。其不足是，设计主要由有经验的工程师用试错法逐步调整完成，不能保证得到 足够优化的设计，需要较长的设计时间，设计主要考虑满足规范要求，在设计过程中缺少严格的造 价控制。 18 结构优化设计 是一种基于计算机的快速自动设计过程， 可以在满足所有设定的约束条件下得 到最优设计方案，结构优化设计是结构设计理论的重要发展，它通过有效的优化算法，对设计变量 进行优化设计，使优化目标最优。结构优化可以达到资源合理的优化配置，在同样造价下，优化设 计方案性能更优；或在同样性能下，优化设计方案造价更低。 结构优化设计虽然是一种很好的方法，但由于设计人员需要有丰富的设计经验外，还必须具有良好 的数学力学基础，及丰厚的计算机知识，很多设计师难于同时掌握这么多的技能。因此，结构优化 设计目前更多的见诸于一些研究论文，能以在实际工程中真正得到运作。1.7 总结鉴于结构设计不是纯推理问题，其方案设计与建筑设计有着紧密的联系。为此，在进行建筑平 19 面布置、确定立面造型与剖面构造的同时，就要充分考虑结构方案的可能性与合理性 。而目前已 有的结构体系确定方法不能很好的解决这以问题。因为结构选型更需要考虑结构的安全性，利用计 算定量地优选结构体系，确保结构强度和刚度都满足。结构选型的另一个理念是结构的延性设计， 在方案设计阶段，除选择合适的结构体系外，还要通过优化结构的布置方案，提高结构的延性，确 保结构在地震作用下，达到三水准抗震设计目标。在建筑体形确定，层数、柱网分割后，利用合理 结构模型，结合场地特征,对结构进行受力分析，通过多次的试算修改，就能够得到最终满意的结 构选型和主要构件的大致尺寸。 因此，我们提出在方案设计阶段从建筑设计到结构设计间通过合理计算，利用计算结果定量地3高层建筑设计与工程实践 确定结构形式和构件大致尺寸的方案设计方法（图 2）,即由结构师通过选择合适的结构模型和计 算方法，编成适合于方案设计阶段的结构整体分析软件，提供给建筑师操作。建筑师只需输入与结 构选型相关的属性，即可输出满足结构要求的结构体系和主要构件尺寸等信息，辅助和指导建筑师 的进一步设计；结构师也能利用输出的平面布置、结构体系和构件尺寸等信息，作为结构施工图设 计阶段的基础参数，从而使结构设计不再处于被动地位，有利于避免设计流程的反复和有效地控制 建设成本。图 2 定量化方案设计的承上启下2 高层建筑结构体系的层单元计算方法2.1 空间结构的层单元模型的提出作为方案设计一般重视的是结构的选型和平、立面布置的规则性，需要从整体上判断结构的受 力性能。为从宏观上进行分析就可以将此时的结构简化为各层间的组装，对于复杂体型的结构可以 通过基本单元组合得出（如图 3 所示） 。联系钢筋混凝土有限元分析的模型，推广运用在空间结构 上，同时基于结构体型组合和高层建筑结构变形特点，提出层单元结构模型，即将结构各层作为一 个单元进行有限元分析。图 3 结构体型的组合过程在这些层单元上，用三维有限元法，根据空间结构的特点选定其形函数及节点自由度。考虑层 单元为连续体后，其中结构上任一点的位移完全取决于层单元的自由度，即内部任一构件上节点位 移可由层单元的节点位移和层单元的位移模式得到。 通过建立构件与层单元节点自由度间的转换关 系，任一构件的运算矩阵（刚阵，载荷阵）均可表示为层单元自由度的运算矩阵，层单元的运算矩 阵由所有构件的贡献获得。通过这样的转换，在集成结构总刚度矩阵时，体现的只是层单元的节点 自由度，对层单元的分析可采用一般有限元的分析方法，又可通过构件节点位移与层单元节点自由 度向量之间的转换，将总体计算结果转换为每一构件的内力和变形。 这种方法既保留了有限元法的各种优点，又克服了其在求解复杂结构问题上的不足。同时对构 件的分析采用解析形式可以保证足够的计算精度。同时，高层建筑结构的变形也是基于层为单位， 模型与实际情况较为符合，能较合理地模拟结构的变形特征。4高层建筑设计与工程实践2.2 采用层单元模型分析建筑结构的过程2.2.1 建筑结构完成空间分割图 4 建筑结构空间分割对于任一层单元（如图 5）求其刚