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同圆设计 | Y-GAMA在某超高层剪力墙结构中的应用

盈建科  · 公众号  ·  · 2024-12-24 17:21

主要观点总结

该文章主要描述了一个高烈度区、大高宽比的超限高层住宅项目的结构设计过程。项目二期在设计过程中遇到了结构位移角不满足规范限值的问题,经过多次试算和调整,最终通过与建筑专业的密切配合,采用降低结构高度和增加建筑面宽的方式,满足了规范对于结构位移角限值的要求,同时实现了建筑对于墙厚控制的需求。

关键观点总结

关键观点1: 项目概况和特点

项目为高端住宅,二期项目考虑到一期良好的口碑和更加优越的位置,进行了设计提升。项目特点包括高烈度、高宽比大,为超限高层建筑。

关键观点2: 方案初算和调整

初期尝试利用数智软件Y-GAMA进行调整优化,但位移角仍不满足规范需求。随后对目标进行分解,按构件的效能进行分组调整,经过多轮计算和优化,逐渐接近规范限值。

关键观点3: 解题之钥

为提升建筑品质,降低外墙厚度是关键。通过降低结构高度、增加建筑面宽或二者结合的方式减小高宽比,最终通过减少1层同时增加0.8m的面宽的方式满足规范要求和建筑需求。

关键观点4: 小结

本工程运用Y-GAMA大量试算分析,完成高烈度区、大高宽比的超限高层结构设计。与建筑专业密切配合解决业主需求,通过数智化软件的应用提升设计效率和质量。


正文

作者:

同圆设计集团股份有限公司   王涛

一、项目概况

本项目为某主城区内的高端住宅,在已完成的一期项目中深受业主青睐。一期项目结构地上共30层,结构高度为99.35m。本次设计为二期项目,考虑到一期项目良好的口碑,甲方沿用了一期项目的户型,同时项目二期位置更加优越,建筑高度需做进一步的提升。

对于结构设计,本项目有如下特点:

1、地震烈度高

(1) 项目拟建场地抗震设防烈度为 8 度,设计基本地震加速度值为0.20g,设计地震分组为第二组。

(2) 本场地建筑场地类别为Ⅲ类,进一步增加了地震作用。

(3) 拟建地距离交城断裂带约5.6公里,根据《建筑与市政工程抗震通用规范》(GB 55002-2021)第4.1.1条,《抗规》第3.10.3条,同时结合近场效应专家论证意见,需考虑地震近场效应放大作用,地震放大系数取1.25。

2、高宽比大

本项目典型的建筑平面如下图所示,建筑南北向宽度较窄,结构平均宽度约14.30m。二期项目地上部分建筑层数由一期30层增加到38层,结构高度由99.35m增加到125.75m,导致结构高宽比由6.94增加到8.79,远超规范限值5.0的要求。

总体来讲,本工程为高烈度区、大高宽比的超限高层建筑。

标准层典型平面图

一期典型剖面图                 二期典型剖面图

二、方案初算

本期与一期塔楼相比,在原户型不变的情况下将楼整体拔高8层,高宽比增加至8.79,远超规范建议值5.0,按一期结构布置试算,结构位移角增加至1/697,不满足规范限值1/1000的要求,必须采用合适的措施使位移角满足规范要求。

经过多次手动调整,发现位移角满足规范要求并不容易,既然Y-GAMA是数智软件,能不能利用它来帮我们调整优化呢?能不能得到一个在满足位移角需求的前提下最经济的方案呢?我们进行了初步的尝试,调整思路如下图所示:

根据我们的设想,将剪力墙厚划分为24组变量,如下图所示,每种颜色均代表一组变量。

采用GAMA封装版进行了初步试算,经过150轮计算后,发现位移角的调整并没有满足规范需求,在第14步之后软件已经开始在按照目标(混凝土用量最小)去找寻最佳结果的方向上了,而约束似乎不再起到控制作用。优化后的结构布置如下图所示,这也是难以满足我们需求的。

三、目标分解

既然无法一步实现需求的目标,那我们可以对目标进行分解,如下所示:

我们对于位移角的调整,可以按构件的效能进行分组,如下图所示:

由于本工程内纵墙均集中在结构中部,其对于Y向位移角的减小效能极低,不再将其列为一组。同时框架梁和连梁有时对位移角的减小会起到一定的作用,故将其列为一组。

综上,构件可分为三组,外墙组、内横墙组,框架梁、连梁组。分组确定后,相较于初步的试算变量总数并没有减少,为了减少变量总数我们还需要对上述三组构件设定优化次序,优化次序如下图所示:

优化次序选定的原因如下:

(1) 内横墙能效一般,过大的增加墙厚显然是不经济的,我们可以在建筑接受的墙厚范围内进行调整得到一个最小的位移角。

(2) 外墙能效最高,允许其厚度有较大的增加,从而大幅度减小结构位移角,我们在内横墙优化的基础上再对外墙进行优化,使其尽量接近规范限值。

(3) 最终我们可对框架及连梁做适当调整,达到满足位移角限值的需求。

调整过程如下:

将内横墙分为11组,墙厚从200~350mm,级差为50mm。

本次优化将目标和约束同时调整为位移角小于1/1000,可使计算结果较快收敛。经过250轮计算后,位移角由1/697减小为1/792。

内墙优化后,外墙在内墙优化的基础上可照此相同步骤进行优化,经过250轮计算后,位移角由1/792减小为1/932。

框架梁和连梁的调整可借用YJK内置的灵敏度分析功能,找寻到效能较高的构件对其调整,最终位移角由1/932调整到1/1005。

完成第一目标后,我们可以再进行第二目标的设定——结构材料用量最省,从而完成本轮完整的优化过程,如下所示:

本轮优化后建筑平面如下图所示。可以看到,外墙厚度需要900mm,这对建筑品质有很大的影响,仍然难以满足甲方的需求。

四、解题之钥

为进一步提升建筑品质,甲方要求外墙厚度必须限制在600mm以内。为此,我们需要回归到本工程位移角难以满足需求的本质问题上来——结构高宽比过大。

合理降低高宽比是本工程的解题之钥。减小高宽比可通过降低结构高度,增加建筑面宽(进深),或者二者结合的方式来实现。通过以下三种方案,进行试算分析减小高宽比的可行性:

方案1:降低结构高度。通过减层数的方式来实现,分别减少1层、2层、3层。

方案2:增加建筑面宽(进深)。分别增大0.5m,1.0m,1.5m。

拟加大面宽位置

方案3:在降低结构高度的同时,增加建筑面宽。

根据计算结果, 要达到规定的位移比限值,可行的方案有三种:减少3层;增加1.5m以上的面宽;减1层同时增加0.8m的面宽,

以上三种方案均能满足位移比限值,但同时结构也需要考虑各种方案的影响,方案1、方案2对建筑面积影响均较大;方案3对整体建筑面积影响较小,合理可行。  最终,本项目按方案3,减少1层同时增加0.8m的面宽的方式来实施的,既满足了规范对于结构位移角限值的要求同时也实现了建筑对于墙厚控制的需求。

五、小结

本工程在方案阶段运用Y-GAMA进行了大量的试算分析,很好的完成了一个高烈度区、大高宽比的超限高层的结构设计, 更重要的是在方案阶段与建筑专业密切配合解决了业主的实际需求。 伴随着数智化软件的应用,我们的设计由原来的小样本计算分析模型提升为多样本的计算分析,通过大量的计算有时会得到一个优于我们过往认知的结果,会给我们提供一些新的解题思路。 同时可以把大量的繁琐的计算交由软件去处理,可以让我们从中解放出来,去追本溯源的关注结构本身的问题。

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