蔡孟良
（河北森柏源建筑工程有限公司 河北 邯郸 056003）
【摘 要】近二十年以来，我国混凝土结构高层住宅迅猛发展，结构优化设计直接影响着结构的安全性和经济性。本文从三方面对高层住宅优化设计进行概述，对设计工作有一定的指导意义。
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关键词 高层住宅；优化设计；概述
1. 高层住宅的特点?
（1）近几十年来随着科学技术飞速进步，生产出多种轻质高强的建筑材料，构思出多种新型高效的结构体系，创造出许多先进的施工技术和机械设备，提供了高速电梯、空调、防火、自控等现代化设施，为兴建高层建筑提供了充分必要的技术条件。科技进步的同时导致了设计技术的革新。建筑结构力学由一维平面结构发展为二维或三维立体结构理论，为新的高效抗侧力体系的出现创造了条件。电子计算机的运用，提高了结构分析的速度和精度，为高层建筑在设计过程中进行多方案比较和优选提供了方便。上述设计技术方面的革新增加了高层建筑的使用功能和适用性，并进一步降低了高层建筑的造价。?
（2）我国改革开放以来，经济快速增长，城市进程加快，高层建筑迅速发展，全国已建成的高层建筑超过一亿平方米，尤其是近十年来，每年建成的高层建筑约一千万平方米。高层建筑正在日益成为社会主义现代化建筑领域的主流趋势，其中住宅约占其总量的一半，而在一些大城市所占的比重更高。?
（3）高层住宅是城市人多地少的产物，是高地价的产物，其兴衰受市场经济的调整。我国从二十世纪七十年代开始发展高层住宅，到二十世纪九十年代，高层建筑得到大量兴建。近几年来我国高层住宅每年以百分之十的速度增长。显然，目前仍有较大的市场需求，高层住宅在大城市比多层住宅更受较为富裕的市民青睐。高层住宅得以发展的最重要原因是节约土地，同时可一定程度的控制城市的蔓延，而且光线充足，视野开阔，上下交通方便，节约室外设施和交通费用，节省交通时间，可有较大的空地以布置绿化、活动、停车等场地。?
（4）伴随着社会经济的腾飞，城市化的快速发展以及城市土地、住宅等制度改革的逐步深化，我国城市住宅建设已进入一个快速发展的崭新阶段。城市化的飞速发展是推动大城市住宅层数增加的动力。然而，面对人口、土地资源、生态环境等背景的挑战，对于与这一背景密切相关的住宅层数发展，不难得出不断增加住宅层数是当前乃至今后相当长一段时间内，我国城市住宅持续发展的必然选择。可以预言，中国城市住宅层数发展出现持续增加的趋势将不可避免，将成为二十一世纪中国城市住宅发展的主流，将成为未来我国城市发展前景广阔的居住形式。
2. 结构分析优化的发展及现状?
2.1 设计要优化，这是长期以来工程师们的愿望。“设计”一词，本身就包含了优化的概念。随着各个历史时期科学技术、计算技术和手段的发展，“设计”的含义也一直演变，不断地得到充实。?
2.2 结构设计的发展过程分为艺术创造、分析结构和设计结构三个阶段。古代的建筑结构是艺术的创造，当然艺术中蕴藏着一定科学原理。长期以来流传的结构设计也只能认为是分析结构。只有当今的结构优化设计才能称得上设计结构。?
2.3 早在1300多年前，我国隋朝工匠李春设计并建造的安济桥（又名赵州桥）就体现了许多“结构优化设计”的思想。在近代欧洲，1869年由Maxwell及1900年由Cilley等人提出同时破坏设计，1904年米歇尔又提出最小体积桁架的设计问题，才使优化思想应用于土建结构有了一定的理论依据。但这些方法的意义只有在计算机出现后（1950年）才被认识。优化设计是用系统的、目的定向和良好标准的设计过程来取代传统的实验纠错方式。优化设计通过对问题的识别、定义、模型化、寻优求解和对解的评价形成一种概念框架和模式。?
2.4 结构优化设计是将优化技术与有限元分析技术结合起来，设计满足给定的各种要求最佳结构尺寸、形状等的设计手段。结构优化设计突破了传统的结构设计范畴，克服了传统设计经验类比或采用许多假设和简化导出的计算公式进行结构设计再校核的诸多局限。?
2.5 从广义角度看，结构优化设计包括结构尺寸优化、形状优化、拓扑优化和布局优化；从优化性能角度，结构优化设计包括结构可靠性指标的结构优化、材料性能的结构优化、动力学性能的结构优化和控制结构优化等众多分支。从优化算法方面可以将结构优化方法分为四大类，即优化准则法、数学规划法、优化准则与数学规划结合的混合法及近若干年出现的模拟自然界生物生长和进化的优化算法（如自适应生成法、遗传算法等）。?
2.6 现代结构优化设计的全过程一般可概括为：建立优化设计的数学模型，选择适合的优化方法；确定目标函数、约束函数、设计变量；确定必要的数据和设计初始点，编写计算机语言程序；通过计算机求解并输出计算结果；最后对数据进行必要的分析。简单概括为两方面：一是如何将设计问题确切的转化为反映问题实质并适合于优化计算的数学模型；二是如何选择适用的优化方法，求得该数学模型的最优解。?
2.7 目前结构优化的应用落后于理论发展，特别是土木建筑结构的优化设计应用不普遍，其主要原因有：?
（1）现行规范和规程还没有明确要求采用优化设计。?
（2）优化的目标还不能完全符合工程需要。由于实际结构问题往往十分复杂，多因素甚至不确定因素使得目标函数在建立后只能得到相对合理的解答。?
（3）土木工程界的管理体制和设计取费标准（按造价或面积取费）使人们缺乏追求优化设计的动力。?
（4）〖JP3离散变量优化问题。建筑尺寸以及钢筋，型钢的规格、型号等都不是连续变化的，因此传统的优化方法如各种梯度算法、对偶算法等解析算法均无法胜任。由于问题规模较大，随之带来计算量急剧增加的“组合爆炸”问题也会使计算量急剧增加。
（5）工程结构问题要综合考虑使用、设计、构造、施工、美观等各方面的要求，因此，工程结构的优化设计所追求的是适合工程上应用的较为合理的设计方案，而不是数学上单纯的理论极值点，这就要求必须结合工程实际进行优化设计。
3. 研究的目的和意义?
（1）近几年来，“低碳经济”，“绿色建筑”日益成为公众耳熟能详的热门词汇，提出的大背景是全球气候变暖对人类生存和发展的严峻挑战。随着全球人口规模的不断增长，能源使用带来的环境问题及其诱因不断为人们所认识。“绿色建筑”是指在建筑的全寿命时期，最大限度的节约能源，保护环境和减少污染，为人们提供健康，适用和高效的使用空间，与自然和谐共生的建筑。它代表一种概念或象征，指建筑对环境无害，能充分利用环境自然资源，并且在不破坏环境基本生态平衡条件下建造的一种建筑，又可称为可持续发展建筑、生态建筑、回归大自然建筑、节能环保建筑等。结构设计优化同样在这方面能有所作为，经过优化的建筑结构，降低了钢筋和混凝土等高耗能产品和不可再生资源的用量。保护环境也就是保护我们自己的生存家园，也是结构设计师义不容辞的责任。?
（2）在没有一个明确的优化设计方法的情况下，工程师出于结构安全、方便设计、缩短设计周期等原因考虑，常常把结构设计的偏于保守，没有充分发挥材料的性能，造成了一定的浪费，这样处理既不经济也不一定真正保证安全。所以，深入开展结构的优化设计研究具有重要的工程意义。?
（3）随着全球资源日益短缺，环境污染日趋严重、以及对生活质量要求的提高，人们在社会经济活动、工程建设、企业生产等方面，既要求安全可靠、效益显著，有要求降低能源材料等消耗和保护环境。优化设计与技术成为人们改进工作、提高效率的必不可少的手段，必将会得到更多关注和广泛的应用。
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参考文献
［1］ 高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010）［S］.中国建筑工业出版社.2011.
［2］ 建筑抗震设计规范（GB50011-2010）［S］.中国建筑工业出版社.2010.
［3］ 卓刚.高层住宅可持续发展中应重视的几个问题［J］.住宅科技2001.No.7.)
［文章编号］1006-7619（2015）06-28-616