现代超高层结构优化分析设计综述

现代超高层结构优化分析设计综述

裘剑辉

广州大学土木工程学院广东广州510006

摘要：随着世界超高层建筑的建设越来越多，世界各主要城市地标建筑越来越高，工程难度越来越大，并且高楼出现垮塌事故也屡见不鲜。基于此，本文主要概述了城市超高层发展发展的现状，及设计阶段建筑物的结构设计优化，及主要的结构分析方法。例如结构优化设计按设计变量性质分为连续变量优化和离散变量优化。以及建筑结构研究优化设计现状，具体包括单目标结构优化设计及多目标结构优化设计及高层建筑存在的问题和结构优化设计考虑的问题。

关键词：城市超高层发展现状超高层结构设计优化建筑结构优化设计现状

1、世界超高层发展现状及发展趋势

1.1世界超高层发展现状

随着世界经济发张迅速，城镇化率越来越高，特大城市的超过层建筑也越来越多，高层建筑是随近代社会经济发展的需求，现代人民生活需要也逐渐向高度上发展，例如超高层的写字楼，巨型的电视塔，大城市人口越来越集中，资源集中化，导致城市中心用地缺少，加速了现代高层建筑发展。高层建筑的发展需要当代科学技术的发展、轻质高强材料的性能要求的提高以及电气化、计算机在建筑中的广泛应用。现世界学术氛围对以上学科有大力发展，技术水平有显著提高。以下高楼是现代著名的高楼，建于1883年的美国芝加哥家庭保险公司大楼（HomeInsuranceBuild-ing），12层，55m高，是近代高层建筑的开端。19世纪末钢结构被应用到高层建筑中，使建筑物的高度超过了100m，1931年纽约建造的帝国大厦（Em-pireStateBuilding），102层，381m高，享有世界最高建筑荣誉长达40年之久。20世纪50年代以后，随着新材料、新工艺以及新的结构体系的发展，层数和高度都有大幅度的突破，建筑结构体系也呈多样化、复杂化。截止2010年2月，世界范围内，按从地面到塔尖（spire）的高度计算，已建成最高的高层建筑为阿拉伯联合酋长国迪拜的哈利法塔（BurjKhalifar），162层，828m高（见图1）；我国台湾省的台北101购物中心（Taipei101），101层，508m高（见图2）；我国上海的上海中心大厦（ShanghaiTow-er），124层，632m高。

1.2世界城市超高层发展的趋势

随着世界城镇化进程，城市将会变得越来越多，越来越大，与此同时，其中会形成很多大城市，伴随着会产生很多超高层建筑，结构会越来越复杂，高度也将一次又一次突破现有建筑高度。

2、超高层结构优化设计变量性质及设计变量类型

2.1超高层结构优化设计变量类型

1869年的Maxwell理论和1905年的Michell桁架时世界上最早的结构优化设计，至现在已有百余年历史，至今仍影响着金额狗优化设计的基础，从Schmit用数学规划来解决结构优化设计至今有40年。连续变量优化和离散变量优化是结构优化设计的重要设计变量性质。在过去的30年里，世界领域内的结构优化的应用、算法和理论都有较大的进展，这部分的技术进展几乎没有是关于变量优化设计的，多数应用于连续变量优化设计，而实际工程中的优化变量往往是离散的，现实施工及工程应用的材料往往是离散的，例如工程中材料尺寸、钢筋和型钢的规格与型号，世界有关学者讲述了常见问题有关离散变量优化过程及未来有关离散变量的趋势的研究趋势。目前，散变量优化中常用的几种方法分别是分枝定界法、圆整法、随机搜索法等是离

2.2建筑结构优化设计研究现状

随着人们越来越重视建筑结构的优化设计。近年来有限元应用研究相比之前较成熟，以及结构优化设计带来的经济效益的增加，建筑结构优化设计能够充分利用材料的性能，设计好力学模型，前期做好有限元模拟，使超高层结构受力合理，并同时符合国家相关规范规定的安全度，与此同时能达到更好的经济效益与社会效益，显著超高层建筑更多关注适应性、环保性、经济性等多方面的性质，建筑结构优化设计主要分为单目标优化设计与多目标优化设计。

单目标结构优化设计可根据约束条件的分为整体刚度优化与单元优化。建筑结构单目标优化设计主要针对结构的截面尺寸，通常以工程造价或材料总用量作为单一的目标函数。整体刚度，通常把建筑顶层位移、层间位移或层间位移角等作为约束条件，优化指仅考虑与结构整体有关的约束条件及适用于对水平荷载较敏感的高层建筑。Chan等以高层建筑楼层侧移作为约束条件，根据虚功原理推导了优化迭代公式，推广应用到香港实际高层建筑中；超高层的框架结构的弹塑性抗震性能设计中采用准则法，提出了适用的两阶段优化设计；基于性能设计，对地震作用下的钢框架结构的灵敏度分析优化问题进行了深入的研究。单元优化是仅考虑结构构件本身的刚度和强度约束，如梁的挠度变形、柱轴压比、配筋率等。

多目标优化问题考虑多个因数，即一般存在多个目标函数，目标考虑因素相互联系又相互制约，如建安造价，结构内部尺寸设计会相应减少，这将有效利用建筑结构强度，增大结构刚度，影响建筑受力性能。多目标优化设计在建筑结构优化中，人们希望结构物有良好的安全度与经济性，不仅要求降低工程造价，多目标优化逐渐成为结构优化设计一个重要的研究方向。

3、超高层建筑超研究存在的问题及重点关注因素

3.1超高层建筑研究存在的问题

现代建筑设计越来越复杂，在进行结构优化设计会考虑很多因素，高层建筑与低层建筑物，建筑设计的计算原理类似，相比低层建筑的建设，高层建筑物结构设计会存在许多要考虑的因素，例如，我我国对于超高层建筑的相关规范不全，设计时理论依据不足，相关超高层建筑设计及施工经验欠缺，随着现代超高层的建筑高度不断攀升，建筑水平的多样化要求，要在建筑水平、工程经济、工期等多方面综合考虑，基于此，建筑结构优化设计就显得尤为重要。建筑结构优化设计不仅能使空间资源上最大利用，对资金、地下空间、地上空间、土地资源空间都有充分利用。

3.2超高层结构优化设计重点关注因素

超高层研究优化设计是是一项综合性很困难的工作，对于人才综合性要求很高，不仅要有扎实的工科理论知识，也要熟悉当地及国家有关超高层的规范，并且根据建筑物的用途，设计者不仅要考虑经济因素及工程技术，也要着重考虑使用功能，主要从以下几个方面关注：（1）合理的建筑布局；（2）内部设施的使用性；（3）方便使用者的使用；（4）便于运营维护；（5）建造及运营成本的因素

4、超高层结构研究的展望

近期超高层建筑的建筑，现有分析理论不能完全解释一些事故的发生，且现有结构设计的安全系数偏高，在结构设计方面偏于保守，造成材料浪费，笔者认为这里尚可以研究。

参考文献

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