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摘要：结构设计遵循适用、安全、经济、美观、便于施工的原则，这些原则之间有所互利，又有所矛盾，为了获得最佳效果就需要对结构方案进行优化，因此本文结合高层住宅结构优化与评价方法进行了探讨。
关键词：结构设计；优化；评价；高层住宅
1 结构设计优化的必要性与概念
1.1 结构设计优化的必要性
结构设计为建筑物设计“骨骼”和“肌肉”，设计结果的好坏关系到建筑的安全性、耐用性、经济性和美观性[1]。建筑是“盛装人的容器”，所以绝不能忽视安全性。市场经济环境中，开发商建造房屋必须考虑经济效益，所以也不能轻视经济性。但建筑的安全性与经济性往往存在矛盾性，因为要保证建筑安全，建筑造价可能比较高；而一味追求经济性，建筑安全性可能会下降。为了使建筑物既安全又经济，就需要对结构设计进行优化。结构优化从人类学会建造房屋就存在了，而高层建筑需要投入大量资金，同时又对安全性提出了很高的要求，安全性与经济性的矛盾愈加尖锐，因此结构优化的必要性更加突出了，因此本文结合高层住宅结构优化与评价方法进行了探讨。
1.2 结构设计优化的概念
结构设计优化的本质是在一定约束条件下，对设计目标函数求取极值的过程。目标函数包括质量、造价、地震作用等设计目标。约束条件是结构设计必须遵守的规则，主要是有关结构设计的各种规范规定的限制条件，包括几何约束、强度约束、变形及裂缝宽度约束、构造约束等。驱动目标函数的因素包括设计常量和设计变量，建筑规模、层高、占地面积这些已知参数为设计常量，而建筑结构参数（包括构件尺寸、面积、惯性积、长度、节点坐标等几何参数以及材料类型、弹性模量、强度等级等材料参数）为设计变量[2]。
2 结构设计优化的方法与在高层住宅设计中的应用
2.1关于优化方法的发展与应用
目前，结构设计的优化仍偏重理论层面，实际应用面临着不少难题。因为结构设计参数多，各参数之间关系又很复杂，还要结合规范相关规定，且构件截面又为离散变量（满足生产规格或建筑模数要求），这些问题导致优化研究仍停留在较低的层次。结构优化的层次分为尺寸优化、形状优化、拓扑优化和布局优化，这也是由低到高的层次，目前研究比较多的是尺寸优化，其他优化形式尚未找到很好的解决办法。现在所指的结构优化实则针对原有方案的不足，利用概念分析找出问题，然后加以改进，这种方法应该称为局部优化，优化程度取决于优化人员的设计经验，可能接近最优化，也可能离最优化还很远，但这种方法是目前行得通的一种方法，下面结合某小高层住宅结构优化进行说明。
2.2 优化方法在高层住宅结构设计中的应用
2.2.1 工程概况
某高层住宅楼地上9～10层（在9层上有一个跃层为第10层），建筑面积约4350m2，建筑总高约27.8m。结构安全等级为二级，抗震设防烈度为8度，设计基本加速度为0.2g，设计地震分组为第一组，地面粗糙度为C类，基本风压按50年一遇取值为0.35kN/m2，场地类别Ⅱ类。
2.2.2 方案选型
结构体系初选剪力墙结构，考虑到结构刚度较大，易诱发地震过度反应，导致结构造价提高。为了改善建筑经济性，经多个方案比较，最终选定短肢剪力墙结构。短肢剪力墙采用双向布置，尽量使结构平面规则、对称，并在房间、电梯间、楼梯间布置L形、Z形、T形等墙肢。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆竖向布置也力求均匀，避免刚度突变，并使建筑抗侧刚度中心与水平荷载作用线接近，防止产生扭转效应。结构第一振周期避开场地卓越周期，并保证周期在风荷载、地震荷载作用下在规范许可范围内。
2.2.3 设计优化
对上述短肢剪力墙结构体系进行了多次调试，获得4个可选方案。方案（一）在初选方案基础上去掉了构造柱，同时减少了小部分剪力墙。方案（二）在方案（一）基础上又减少了一些剪力墙，并在电梯间X方向剪力墙上开洞口，减小该方向刚度。方案（三）在方案（二）基础上优化了Y方向刚度，使X方向与Y方向刚度接近。方案（四）在方案（三）基础上将Y方向部分T形剪力墙调整为一字型。其他参数如下：
剪力墙与填充墙厚100mm，楼板厚120mm，屋顶板厚150mm，连梁为200mm×400mm。短肢墙肢长与肢厚比取5～8。混凝土强度设置为：墙、梁为C30，板为C25。
2.2.4 计算结果分析
采用SATWE程序进行计算。因短肢剪力墙肢长与肢厚比大于5，将其作为剪力墙对待。计算楼板时考虑弹性变形。电梯井刚度较大，且井筒稍偏置，为了提高计算精度，考虑了结构扭转偶联及偏心影响，振形取27个。4个方案的自振周期、结构位移、剪重比、轴压比都在规范允许范围内。技术经济分析结果显示，方案（四）造价最低，比初选方案造价节约近18%。可见，优化取得了预期效果。
3 结构设计优化的评价方法
3.1 结构设计优化评价概述
结构设计方案优化是一个极为复杂决策问题，要从结构设计一般原则（适用、安全、经济、美观、便于施工）出发，找到最佳组合非常不易，何况对方案优化结果进行评价了。现利用概念设计和系统设计理论，采用层次分析法（AHP）构建综合评价指标体系，解决了量化评价问题，下面介绍该评价指标体系的建立方法。
3.2 基于AHP模型的结构优化评价指标体系
AHP模型分为4层，分别为总目标层（A）、子目标层（B）、准则层（C）、指标层（D）。总目标层依据结构设计的总原则，即以“以人为本”和可持续发展为原则，兼顾经济、社会、生态三个效益进行综合评价。子目标层包括结构经济性（B1）、结构体系先进性（B2）和结构可靠性（B3）。准则层（C1～C8）对应子目标层的B1～B3，其中对应B1的为全寿命周期费用（C1）、建材与施工（C2）；对应B2的为结构选型与场地（C3）、结构布置与地基基础（C4）、构件与构造（C5）、适用性（C6）；对应B3的为安全性（C7）、耐久性（C8）。指标层（D1～D20）分别对应准则层C1～C8，其中对应C1的为初始工程造价（D1）、维护费（D2）；对应C2的为建材选择（D3）、施工复杂度（D4）；对应C3的为建筑美学（D5）、场地选择（D6）、建筑方案特征（D7）；对应C4的为空间划分（D8）、平面布置（D9）、竖向布置（D10）、地基基础（D11）；对应C5的为结构构件与连接（D12）、构造措施（D13）；对应C6的为可居住性（D14）、舒适性（D15）；对应C7的为抗震最优设防（D16）、非结构构件设施（D17）、消防（D18）；对应C8的为长寿命建材（D19）、稳定性（D20）。
3.3 模型使用方法
按城市规模、经济发展水平、人文历史、地理环境等特征进行聚类分析和分类，采用AHP计算各层次因素相对权重值，然后结合指标分值（如优、良、中、及格、不合格分别对应9、7、5、3、1分），再采用模糊评价法、灰色聚类评价法等进行计算，根据得分高低排出方案优劣。
4 结语
高层住宅投资大，对结构安全性要求高，通过结构优化可获得较好的技术经济效果。然而结构优化是一个非常复杂的过程，涉及因素多，因素之间的关系又很复杂，采用数学优化理论求解往往十分繁琐和复杂，一般工程上适用的方法是依据概念分析设定若干方案，再从中选优。无论采用哪种方法，其目的都是找到安全性有保障、经济性好的方案。
参考文献：
[1] 郭俊琴.高层建筑结构设计BP算法的精度优化[J].科技通报，2015，31（11）：211-214.
[2] 朱杰江.建筑结构优化及应用[M].北京：北京大学出版社，2011.
论文作者:曾月猛
论文发表刊物:《北方建筑》2016年12月第34期
论文发表时间:2017/2/24
标签：结构设计论文; 结构论文; 方案论文; 建筑论文; 刚度论文; 结构优化论文; 评价论文; 《北方建筑》2016年12月第34期论文;