青岛鑫旭辉建筑结构设计有限公司

1 建筑结构的优化设计概论

1．1 建筑结构设计优化的概念及基本原则

建筑结构优化设计是指在满足各种规范或一些特定的条件下，建筑结构最优的设计方法。要对结构进行优化设计，首先必须确定追求的目标，例如质量最小、造价最省、地震作用最小等。建筑结构设计首先应该遵守国家、行业现行的有关标准，并应结合工程实际情况，做到经济合理、安全适用。建筑结构设计的基本原则是必须满足建筑结构的安全性、适用性和耐久性。

1．2 建筑结构分析的基本假定及优化意义

高层建筑结构是由竖向抗侧力构件通过水平楼板连接构成的大型空间结构体系。对计算模型引入不同程度的简化方法时，用到弹性假定，小变形假定，刚性楼板假定以及计算图形的假定。建筑结构设计优化的意义是建筑结构的设计优化在安全的基础上求得更大的经济效益。以先进的结构分析设计方法为手段，对结构设计进行优化、调整、改善与提高，也就是对结构设计再加工的过程。

1．3 建筑结构设计优化的必要性

(1)在建筑施工建设总成本中建筑结构造价处于重要位置，结构投资控制管理成为当今建筑业发展的必然趋势。

(2)房地产市场竞争日趋激烈，只有通过结构设计优化减少重复的资金投入，才能在房地产市场的价格战中占据有利态势。

(3)结构优化设计不仅降低了工程建设的成本，还针对结构设计存在的不足给予了改进，提高结构的可靠性。

(4)合理的选用结构材料是必须的，充分发挥材料的性能与强度潜力，达到用最小用料发挥最大效能的目的。结构材料要用在需要的位置，尽最大限度发挥材料的效率，从某种意义上也可以这样说，节约就是结构设计的优化。

2 框架－核心筒结构的设计及优化

2．1 框架－核心筒结构的主要特点

核心筒就是建筑的核心部分，由楼梯、电梯井道、电缆井、通风井、公共卫生间、部分设备间等维护部分构成，和外围框架相照应，两者从形式上构成内外结合的外框内筒，这种结构实际上是由钢筋混凝土来浇筑完成的。其抗地震能力强，目前已经大范围的应用于高层、超高层建筑中去。其他的结构优势在于空间广阔，服务性能好，利于想中央聚集，使得采光条件优越，得益于诸多优点，不仅使得视线广阔，而且内部行走顺畅，几乎无阻碍。筒体具有很大的抗侧能力和抗水平推力，核心筒体部位的实腹筒承受大部分水平荷载，竖向荷载则主要靠框架来承担。框架－筒体结构中，筒体在水平荷载作用下，层间位移自下而上逐渐增大，在结构顶部达到最大值，其侧移曲线呈弯曲型分布。框架在水平荷载作用下主要以剪切变形为主，其层间位移自下而上逐渐减小，在结构底部达到最大。由于框架－筒体结构收到楼板的刚性约束，迫使二者层间位移趋于一致。筒体顶部和框架底部的最大层间位移相应减小，整体结构各层的层间位移数值趋于均匀。

2．2 框架－核心筒的分析方法

理想的核心筒，可看作一竖向悬臂构件，整体性较强，内力及变形完全符合悬臂构件的理论计算结果。对筒体结构进行分析时，可采用以下三类分析法:等效连续化、等效离散化和三维空间分析法。第一种方法是将离散杆件经过变换及推导，变为连续构件。这可以通过两种方法来实现，其中一种为在几何上做文章，使其连续化，并引用相应的函数建立相应的模型;一种为对几何分布和物理分布同时做文章，使其连续化，这样对于弹性薄板，能够采取n种可行的分析途径。与连续化方法相对应的是等效离散化方法，其方法步骤为将连续变为离散，并寻找相应的结构理论达到力学分析的目的。

在分析筒体结构体系时，如果完全按照三维空间结构，运算精准，一般采用空间杆－薄壁杆系矩阵位移法。其操作步骤为:首先运用理论基础，把高层建筑看作是空间杆系结构来处理，这种结构有多单元构成，包括空间柱元、空间梁元以及薄壁柱元。前两个元的节点都是有6自由度。核心筒比空间杆多了一个翘曲自由度，所以每端节点有7个自由度，剪力墙也是如此。与二维计算对比，三维空间有更高的分析精度，但是由于未知量较多，使工作的计算量增大。为了简化计算，将刚性楼板假定纳入以降低计算的复杂程度，假定同楼面薄壁柱翘曲角相等，自由度减少，此法应用广泛。

3 结语

(1)通过优化可使设计做到结构布置更合理，解决结构设计不合理问题，消除施工过程出现的安全隐患，设计优化着力于建筑结构体系的合理化和高新技术的应用，从而带来更多的效益。

(2)目前设计市场比较混乱，设计优化是非常有必要的，它不仅有利于节约成本，减少浪费，也是投资方、建设方的追求，更是优秀设计团队和优秀设计师的追求。

赵鲁新，赵云鹏，山东科技大学土木工程与建筑学院，山东青岛266590