結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和辯證法

1、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和辯證法摘要:結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的設(shè)計(jì)，在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法下，可能存在不合理的方面。運(yùn)用辯證法的原理，對(duì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，能得到受力更合理的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件。關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)體系構(gòu)件辯證法優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)和構(gòu)件的設(shè)計(jì)，在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法中,只做到了滿足建筑功能要求，結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的受力存在不合理，造成施工工藝復(fù)雜和造價(jià)較高。按照辯證法的原理，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅實(shí)現(xiàn)了建筑功能要求的目標(biāo)，而且使結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)件受力更合理，且降低了結(jié)構(gòu)造價(jià)。下面從工程實(shí)例中的結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)件的優(yōu)化，具體問題具體分析，得到優(yōu)化和合理的結(jié)果。1框架核心筒結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化某超高層辦公樓，裙樓5層，主樓39層位于裙樓中部,

2、170m高。主樓平面為五邊形，中間為核心筒，采用鋼筋混凝土框架核心筒結(jié)構(gòu)體系。從裙樓以上，主樓的外輪廓上有三個(gè)立面每層轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，即樓層的外輪廓部分的三個(gè)立面相對(duì)于上層或下層或上下層有一個(gè)角度錯(cuò)位，直到頂層，經(jīng)過30多層的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)角處移動(dòng)的距離最大近30m,建筑立面有一個(gè)較好的效果。按傳統(tǒng)的框架核心筒結(jié)構(gòu)布置方法，主樓樓層中心為核心筒，外墻（外輪廓）處設(shè)框架柱，一般將框架柱在外輪廓上均勻布置，同時(shí)在結(jié)構(gòu)平面外輪廓轉(zhuǎn)動(dòng)部位設(shè)框架柱，因此結(jié)構(gòu)平面外輪廓轉(zhuǎn)動(dòng)部位的框架柱隨著外輪廓的扭轉(zhuǎn)逐漸沿著立面處傾斜一直到頂，即形成結(jié)構(gòu)和建筑同時(shí)扭轉(zhuǎn)”能較好的實(shí)現(xiàn)建筑功能目標(biāo)（圖1）。對(duì)此種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析，順

3、外輪廓轉(zhuǎn)動(dòng)的框架柱為傾斜框架柱，傾斜方向?yàn)檠刂まD(zhuǎn)方向平行于外輪廓的立面。柱的受力分為兩部分。一部分為向下的重力；另一部分為平行于立面方向的水平推力。但此種布置存在如下缺點(diǎn)，每根傾斜框架柱和每層傾斜框架柱的水平推力都會(huì)產(chǎn)生扭矩，本工程每層有三根傾斜框架柱，所有的傾斜框架柱產(chǎn)生的扭矩到不轉(zhuǎn)動(dòng)的樓層時(shí)累積會(huì)非常大，但全部都要由結(jié)構(gòu)自身平衡，即由核心筒承擔(dān)扭矩。在扭矩的傳遞途徑中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件均會(huì)加大截面且受力復(fù)雜，一是樓面板要加厚，加大配筋，把扭矩傳遞到核心筒上；二是核心筒的外墻要加厚加強(qiáng)，能夠抵抗住扭矩；三是核心筒下基礎(chǔ)既要考慮豎向荷載，又要考慮扭矩,需要在基礎(chǔ)四周設(shè)置斜樁，以便將扭矩傳到地基上，保

4、證結(jié)構(gòu)主體的穩(wěn)定。這樣雖保證了結(jié)構(gòu)安全，也基本滿足了建筑功能要求,但結(jié)構(gòu)體系始終處于一種受力不利的復(fù)雜狀態(tài)。在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布置方法中，三根傾斜框架柱產(chǎn)生的扭矩由很多層累計(jì)生成，按照辯證法的觀點(diǎn)，是由量變產(chǎn)生了質(zhì)變，形成了結(jié)構(gòu)的不合理。對(duì)此種布置進(jìn)行優(yōu)化，在辯證法中，量是事物存在和發(fā)展的規(guī)模、程度、速度等可以用數(shù)量表示的規(guī)定性，以及事物構(gòu)成因素在空間上的排列組合。量變質(zhì)變規(guī)律，除了量變的度的要求外，還有一種情況，空間關(guān)系的改變也可形成質(zhì)變，因此可從結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系上考慮。先考慮在扭轉(zhuǎn)部分的外墻處不設(shè)框架柱，外墻下設(shè)梁,把框架柱設(shè)在外墻里面一定的位置。框架柱和核心筒間設(shè)框架梁，在框架梁方向上框架柱向外

5、設(shè)懸挑梁，支承外墻下的梁。外輪廓部分的扭轉(zhuǎn)由結(jié)構(gòu)每層懸挑出去的樓面梁的長(zhǎng)度和平面定位變化而實(shí)現(xiàn)。每層結(jié)構(gòu)樓面逐漸扭轉(zhuǎn)和一般框架核心筒結(jié)構(gòu)一樣，框架柱能豎直上下，形成建筑扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)不扭轉(zhuǎn)”的效果（圖2）?？蚣苤挥胸Q向力，不產(chǎn)生順外輪廓處的水平推力，核心筒上不再承擔(dān)扭矩。在辯證法的原理指導(dǎo)下，結(jié)構(gòu)受力得到了極大改善，樓板厚度減小，核心筒外墻厚度也相應(yīng)減小，基礎(chǔ)中的斜樁可取消，含鋼量有顯著降低，結(jié)構(gòu)造價(jià)可降低約5%10%,獲得了極大的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)外輪廓轉(zhuǎn)角可采用裝飾柱，形成更好的立面效果，使得外輪廓扭轉(zhuǎn)建筑的扭轉(zhuǎn)效果得到最大實(shí)現(xiàn)。2地下室外墻的計(jì)算地下室外墻主要用于擋土和地下水，為平面外受力，發(fā)揮

6、的是平面外剛度。因此外墻的受力接近于板。不論單層或多層地下室，外墻均可簡(jiǎn)化為單跨板或多跨連續(xù)板計(jì)算。一般地下室外墻橫向上，即與外墻垂直方向上，無墻或柱時(shí)，可按以樓板為支座的單向板計(jì)算。但有的業(yè)主從經(jīng)濟(jì)角度考慮，提出要求在墻上每隔一定間距設(shè)柱，做為墻的面外受力支座，把墻當(dāng)做四邊受力的板計(jì)算，以達(dá)到減小墻厚和減少鋼筋的目的。如圖3中外墻的上下支座為樓板和底板，豎向支座為柱，則該外墻的四周均有支座，已滿足板的四邊支承的要求，似應(yīng)按雙向板計(jì)算。但深入分析，按照板的計(jì)算假定，一是支座無下沉位移；二是板支座為簡(jiǎn)支邊時(shí)可以轉(zhuǎn)動(dòng)。也就是按照假定板的四邊支座無變形，而此處的外墻卻不同，水平支座為樓板和底板，面內(nèi)

7、剛度無限大，能滿足假定,而豎向支座為柱，剛度有限,在作用在墻面上的推力作用下，像梁一樣受彎，會(huì)產(chǎn)生變形，即此時(shí)已不能滿足板的假定。在辯證法中，矛盾的普特關(guān)系原理，普遍性存在于特殊性中，特殊性通過普遍性表現(xiàn)處出來。按照辯證法的觀點(diǎn)，板的四周有支座是普遍性，而支座受力的變形情況則是特殊性。在墻的分析中，要考慮支座的變形，即此處要分析墻和墻上柱（做支座）的共同受力。對(duì)外墻用Sap2000軟件分析，墻的水平支座的無限剛和豎向支座的有限剛，墻在面外荷載作用下豎向支座的變形而產(chǎn)生了卸載，主要由水平支座承擔(dān)了荷載（圖4）,即實(shí)際上是上下支座受力的單向板。對(duì)墻調(diào)整參數(shù)后再計(jì)算，只有當(dāng)柱的截面高度達(dá)到墻厚的5倍

8、以上時(shí)，柱在該方向才能接近支座，才接近于雙向板受力。因此對(duì)于外墻不能盲目的簡(jiǎn)化為雙向板計(jì)算，否則很可能使墻處于不安全狀態(tài)。應(yīng)把墻的支承條件比較區(qū)別后，進(jìn)而確定墻的模型。在辯證法的原理指導(dǎo)下，對(duì)墻做深入分析，使得分析結(jié)果符合實(shí)際受力狀態(tài)，既安全可靠也經(jīng)濟(jì)實(shí)用。3地下室底板集水坑的布置地下室底板需滿足建筑功能的需要，設(shè)置集水坑。傳統(tǒng)的做法是在底板上開孔，集水坑有多大，就開多大孔，集水坑的底板和側(cè)壁與地下室的底板一樣厚，配筋做一定的加大，轉(zhuǎn)折處做處理，滿足相應(yīng)的構(gòu)造要求。此種方法雖能直接滿足建筑功能要求，但卻存在一定的弊端。集水坑平面尺寸一般較大，造成底板的中斷,形成折板（圖5）,底板的受力不合理，

9、同時(shí)局部需要進(jìn)行節(jié)點(diǎn)分析，配筋較復(fù)雜,施工較復(fù)雜。在辯證法中，重點(diǎn)論即抓住主要矛盾或矛盾的主要方面。底板的受力是重點(diǎn)，而集水坑的受力不是重點(diǎn)，處于次要地位。而傳統(tǒng)方法沒有分清主次，次要的構(gòu)件影響了主要的構(gòu)件。若將底板做為一個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)來看，則集水坑可做為一個(gè)構(gòu)件掛在底板下（圖6）,附屬于底板下的二級(jí)結(jié)構(gòu)：而底板上開孔不是和集水坑平面一樣大，改為700800寬的檢修孔，則底板沒有中斷，配筋正常，不需做節(jié)點(diǎn)分析，只需在洞邊做一定加強(qiáng)即可。這樣的調(diào)整使底板鋼筋得到優(yōu)化，集水坑的底板和側(cè)壁厚度均可減小，配筋也可減小，集水坑的類型也可分類歸并為簡(jiǎn)單的幾種。在辯證法的原理指導(dǎo)下，抓住重點(diǎn)分析比較，使底板的結(jié)

10、構(gòu)受力得到優(yōu)化而更合理。4地下室底板抗浮錨桿的設(shè)計(jì)當(dāng)?shù)叵率矣卸鄬訒r(shí)，一般水浮力較大，在滿足抗浮穩(wěn)定的要求下，底板需考慮水浮力荷載。如某超高層地下室有四層，水浮力為150kPa,考慮結(jié)構(gòu)方案，一是底板做梁板結(jié)構(gòu)，采用倒置樓蓋承擔(dān)水浮力；二是因底板下為中風(fēng)化巖，可做抗拔錨桿，則底板可做成無梁樓蓋。選擇第二種方案較經(jīng)濟(jì)。對(duì)底板計(jì)算時(shí)，僅考慮正面的恒+活荷載，水浮力全部被抗拔錨桿抵消。表面上看，底板受力較合理，厚度不大,配筋也正常。但深入分析，底板錨桿較多，間距較密，施工也困難，需要進(jìn)一步優(yōu)化。再考慮到底板本身，按承擔(dān)正面荷載配筋，且是雙層雙向通長(zhǎng)，即此時(shí)底板配筋也能承擔(dān)向上的荷載。在辯證法中，內(nèi)外因

11、關(guān)系原理，外因通過內(nèi)因起作用。按照辯證法的觀點(diǎn)，底板配筋是內(nèi)因，底板下的錨桿則是外因。通過對(duì)底板正面荷載作用下的配筋，計(jì)算底板能承擔(dān)的向上的荷載（水浮力）,大約能承擔(dān)30%的水浮力，剩余的水浮力由錨桿承擔(dān)。因此可減少30%的抗拔錨桿,錨桿的作用得到了最大發(fā)揮。在最大水浮力時(shí)，由底板和錨桿共同承擔(dān)荷載。在辯證法的原理指導(dǎo)下，底板和錨桿均得到了優(yōu)化，且獲得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。5結(jié)論通過以上的分析和比較，結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)件的方案在滿足建筑要求的前提下，可以有不同的方法，但最終采用的方法一定要進(jìn)行優(yōu)化。辯證法來源于自然科學(xué)，又對(duì)自然科學(xué)有指導(dǎo)作用。在辯證法的原理指導(dǎo)下,結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)件優(yōu)化后，受力更合理，能獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，需要具備科學(xué)發(fā)展觀，作為結(jié)構(gòu)工程師，不僅需要本專業(yè)知識(shí)，也需要跨專業(yè)