某复杂公共建筑的优化设计
摘要：对于复杂的大型公共建筑而言, 由于其结构较为复杂, 一般都会存在平面扭转不规则、竖向刚度不均匀以及结构体系间的不协调等问题。故很有必要对复杂公共建筑进行优化设计, 本文以实际工程项目为依托, 讲述该工程所做的优化设计工作及相应的优化建议, 以期能够为同类工程项目提供设计参考。
关键词：公共建筑; 不规则; 不协调; 优化设计; 设计参考;
作者简介： 刘顺 (1984-) , 男, 陕西汉中人, 硕士, 研究方向:空间钢结构。;
Research on Seismic Performance of Complex Public Buildings
Liu Shun
Tongji University
Abstract：For complex large public buildings, due to their complex structure, there are generally problems such as irregular plane torsion, uneven vertical stiffness and uncoordinated structural systems. Therefore, it is necessary to optimize the design of complex public buildings.Based on the actual engineering project, this paper describes the optimization design work done by the project and the corresponding optimization Suggestions, hoping to provide reference for similar projects.
Keyword：Public buildings; Irregular; Not harmonious; Optimize design; Design reference;
1 项目概况
1.1 设计基本参数
该项目位于上海市奉贤区，地震动峰值加速度为0.1g，抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第二组。抗震设计类别为标准设防类（丙类）拟建场地为Ⅳ类场地，属建筑抗震不利地段（不液化场地）。对应的场地土的特征周期为0.75s。
50年一遇的风荷载为0.55KN/m2，舒适度验算的风荷载为0.35KN/m2。
1.2 项目超限类别
该项目造型复杂，主要由三个球体组成，三个球体直径为40米，球体之间通过钢结构连廊连接在一体，其属于扭转不规则结构，故对其进行抗震性能化研究及优化，具有良好的经济效益，同时也能为国内类似工程提供设计参考。
1.3 项目的结构模型
为了进行开展后续的优化设计工作，本文使用Midas Gen软件建立了精确的有限元计算模型，结构的有限元模型见下图1与图2。图1为加荷载虚面的结构模型，图2为包括楼板的结构模型。在模型计算之前，对结构的荷载进行了核对，保证模型的正确性和有效性。
2 优化设计的步骤
任何一个复杂工程，其成本控制和结构的合理性都是至关重要的。为此，每个大型的工程项目，都需要进行结构体型的优化布置和结构截面的优化设计，这样才能使设计的工程项目同时满足受力合理和造价合理。
图1 加荷载虚面的结构模型
图2 包括楼板的结构模型
2.1 优化的原则
(1）计算模型假定与图纸尽量保持一致；
（2）结构的荷载输入保证合理真实；
(3）结构传力路径和结构的受力体系合理；
(4）关键构件应力比控制在0.6以内，主要构件应力比控制在0.85以内，次要构件应力比控制在0.9以内；
(5）减少复杂的连接节点，钢结构制造与安装可行。
2.2 优化设计工作的主要内容
(1）根据建筑、设备图纸校对结构图纸，标识出结构图的错漏碰缺；
(2）根据设计图纸校对结构计算模型，标识计算与计算模型的不符之处；
(3）根据校对后计算模型的分析结果，提出结构布置的修改建议；
(4）根据校对后计算模型的分析结果，提出截面修改意见；
（5）完成优化总结报告。
2.3 优化设计的组成部分
对于本项目而言，该整体结构的优化分为球壳结构优化、竖向构件优化和抗水平力结构优化这三部分组成，在优化过程中根据优化原则和优化的内容对这三部分分别展开优化。
2.4 优化设计中的主要问题
在优化设计中，常常需要对荷载和建筑结构实际的情况进行校核，同时需要对结构关键部分的舒适度进行验算，这样才能真正体现实际工程的情况。
(1）自动扶梯荷载未输入；
(2）楼层层高较大（9m），部分内隔墙（防火卷帘、卫生间墙体）线荷载较大，应按实际情况输入；
(3）外围拱形幕墙风荷载荷载计算模型按1.0kN/m2输入，计算模型迎风面小于实际迎风面。
(4）球幕内部连廊及部分区域楼面跨度较大，建议进行楼面舒适度分析。
3 优化结果与建议
3.1 优化结果
计算模型重量：3289吨，根据结构图复核的计算模型重量：3515吨，优化后钢结构重量：2765吨结构经过优化后，钢结构总质量减少约590吨。
结构第一平动周期相应增加0.043s;因经过校核，荷载相对原模型均有增加，导致结构变形增加;EX基底剪力增加1.19倍，相应的水平位移只增加了1.07倍，结构的实际抗侧刚度是增加的。以上结果均满足规范要求
3.2 结构优化建议
该单层球壳的径向构件为压弯构件、环向构件受拉，下半球的环向构件密度为上半球的两倍，该结构布置在受竖向力时合理。但是其整体抗侧、抗扭刚度很弱；切内部连廊的不对称布置导致结构在仅仅承受竖向力的作用下及产生较大的水平变形。
优化建议：增加经线方向和纬线方向的支撑，减小剪力滞后效应，增加球壳的整体性；同时还可以减小其它竖向构件尺寸。
屋面楼板不连续，外围幕墙风荷载直接作用到球壳，传力不均衡。优化建议：在外圈楼板开洞处布置水平支撑，使得水平力均匀传递，同时增强球壳水平约束。
3.3 截面优化建议
(1）球壳经度（竖向）方向典型截面由低到高截面依次变化为B 400x500x16->B 400x500x14->B 400x500x16->B400x16;由于球壳增加支持，球壳平面内计算长度大大减小，可以采用矩形截面代替方形截面；壁厚统一采用16mm，便于内部隔板采用电渣焊接；建议截面修改为B 400x500x16->B300x500x16->B 250x400x16;
(2）球壳纬度（环向构件）由于支撑的增加，球壳上半球部分的受力大大减小，截面可由B300x14改为P180x8；建议7m, 16m, 22m标高标高楼面与球幕交接处环梁截面为B。
(3) 400x600x20x 20，为拉弯构件，但实际应力较小，可适当减小截面，建议改为B400x400x16x16。
(4）外围拱桁架原设计弦杆为B400x800x20，腹杆为B300x14，主管与支管截面相差较大，且连接节点实际焊接非常复杂。优化建议：1）改为格构柱形式，主要柱肢采用H800x400x16x25，采用缀板连接柱肢翼缘。在保证刚度相同的情况下减少材料消耗和焊接工作量。2）直接采用B800x1600x20的大截面方钢管，材料消耗同原设计大致相同，但加工更加方便。
4结论
本文通过对具体的案例进行优化设计，得到了如下的优化建议和优化思想供其他的工程设计参考：
(1）结构的优化设计既是结构方案的优化设计也是与其他专业相协调之后的优化设计；
(2）对于一个复杂的结构工程而言，需要将复杂的结构转化为相对简单的结构，然后再进行结构的优化设计；
(3）在优化设计中，一定要保证结构的真实性和精确性，对于荷载，需要格外的注意，千万不能出现遗漏荷载的现象；
(4）在进行截面优化时，需要根据构件的重要性，合理的限值其压力比的限值，对于重要的抗侧力构件，将其应力比限值设置的尽量小一点，并根据具体工程而定。
(5）对于复杂的公共建筑，在对其进行静力学优化的同时，也需要开展该结构在动力学范围内的优化，如果有条件，需要在优化结束的模型上进行抗震性能化研究，这样才能使公共建筑具有良好的抗震性能。
参考文献
[1] 中华人民共和国国家标准.建筑抗震设计规范GB50011-2010 (2016年版) .北京:中国建筑工业出版社, 2016.
[2] 钢结构设计标准:GB 50017—2017[S].北京:中国建筑工业出版社, 2018.
[3] 高层民用建筑钢结构技术规程:JGJ 99—2015[S].北京:中国建筑工业出版社, 2016.
