【洪飞宇原创】高层建筑颠覆性优化设计方法曝光！

诸君知道最近比较热门的高层建筑优化设计方法是什么吗？先卖个关子，请接着看土木君的粗浅阐述。

在重力荷载作用下，建筑结构（尤其是高层及超高层建筑结构）的竖向构件压应力不同，则各水平构件在支座处存在竖向变形差，这个竖向变形差对水平结构构件的影响是不容忽略的。

下图是某80层办公楼的柱轴向变形差的比较：

一般混凝土结构水平构件与竖向构件是固接连接的，当竖向构件产生变形差后，将在水平构件中引起附加弯矩和剪力，当水平构件线刚度较大时，所产生的附加内力会更大。

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对于两端固定钢筋混凝土梁，其由支座变形差Δ引起的梁端附加弯矩及剪力可按下面公式计算。

这种变形差产生的附加弯矩和剪力，额外加大了水平构件的内力，对于建的筑的抗震及抗风是很不利。那有没有办法来减少这种不利影响呢？对此，傅大师提出了“调平法”的设计思想，通过调整竖向构件的截面尺寸来减小竖向变形差异，以达到减小水平构件附加内力的目的，主要步骤如下：

（1）初步确定结构布置和截面

（2）将结构的水平构件全部铰接

（3） 一次性施加全部重力荷载，进行结构分析计算

（4） 查看全楼各层各竖向构件的节点竖向变形

（5）根据竖向变形差异情况，调整竖向构件的截面尺寸或布置

（6）重复（3）（4）（5），直至达到设计允许的较理想状态

（7）结构的水平构件恢复刚接

（8） 结构进行后续的重力荷载、抗震、抗风设计

我们知道对于柱和剪力墙，规范均规定了相应的轴压比，那这种调平法设计在规范上有没有障碍呢？

从规范和实际工程经验可知，对于大部分高层、超高层建筑，一般筒体墙肢在重力荷载代表值作用下的轴压比限值为0.5左右，框架柱在组合工况下的轴压比限值一般为0.7上下，而地震或风荷载引起的外框柱附加轴压比一般在0.1-0.2作用，所以不考虑地震和风荷载的作用，重力荷载代表值作用下也可控制外框柱轴压比为0.5左右，与筒体墙肢差不多，所以调平法是可行的。

当然这种调平法设计若靠手工完成，工作量是异常庞大的，好在PKPM V3.1版专门开发了调平法设计模块（这个必须点赞）：

调平法软件设计模块借鉴了傅大师的设计思想，自动经过多次迭代计算，对竖向构件的截面进行调整，使竖向变形差异达到容许的范围。

为了便于程序实现，并使软件具有较强的普适性，调平法软件对傅大师的“调平法”理论作了一定的延伸，提出了以下几个概念。

首先，软件提出了“分段”的概念。分段是指在竖向对楼层进行分段，软件在每段内将结构调平，减小整段的竖向变形差。“段”可以理解为调平的粒度。

第二，软件需要对各分段设定目标轴压比。通过分段，可将结构调平，但不应该仅仅是调平，还应该指定调平后希望竖向构件达到的轴压比。此外，“调平”更准确的描述是使竖向构件具有相同的压应变，因此软件内部用压应变作为衡量调平的标准。软件会自动将目标轴压比换算成目标压应变。

第三，分段后，软件对每段内的各层搜索竖向构件，分别形成“柱串”和“墙串”。“柱串”和“墙串”可看作一根柱和一片墙，计算一个压应变和一个截面调整系数。

第四，软件支持对平面内的竖向构件（柱、墙）进行分组，同一组的竖向构件按照相同的比例系数对截面进行调整。

通过调平法优化竖向构件的截面尺寸后，大大减小或消除了竖向变形差，也就大大降低了水平构件的附加内力，自然水平构件的截面及配筋等大为降低，在基本不牺牲结构安全度的情况下大幅降低结构成本，才是优秀的结构优化方法。

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