如何合理优化结构布置
结构工程师在进行结构计算时，大部分会采用中国建筑科学研院建筑工程软件研究所研制的PKPM计算软件（以下简称为PKPM计算软件）。如何优化结构布置？这一直是困扰设计人的问题。下面我就在PKPM计算软件的一些功能的应用，来与各位设计人探讨一下这一问题。
关键词：PKPM计算软件，结构整体空间振动简图、质量中心与刚度中心，周期比，最大层间位移角。
在PKPM计算软件中有两个功能，SATWE后处理中的各层配筋构件编号简图（第1项）与结构整体空间振动简图（第12项）。一般设计人很容易忽略它，不知道该如何利用这两个功能，来进行合理优化结构布置。下面我将用两个有代表性的工程实例，来阐述我在工程中如何利用这两个功能进行结构布置的优化设计的。
第一个工程实例
武汉地区的某住宅楼，34层，每层层高为 2.9m，一层地下室，框架抗震墙结构，抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g，设计地震分组为第一组，设计特征周期为0.35s，框架与抗震墙的抗震等级为三级。标准层结构平面布置平面如下图一（方案一）。
图一（方案一）
本工程的考虑扭转耦联时的振动周期(秒)、X,Y 方向的平动系数、扭转系数的前三振型计算结果如下：
本工程的最大层间位移角1/813，是Y方向风荷载作用下的楼层最大位移。
由此可以看出本工程水平荷载主要控制为Y方向风荷载作用。
然后我们可以打开PKPM软件中SATWE后处理中的第12项结构整体空间振动简图进行分析，结构整体空间振动简图如下图二：
图二（方案一的结构整体空间振动简图）
图二为方案一在振型二下的结构整体空间振动简图。由此图可以直观的看出，在第二阵型下，本工程底部趋于平动，而上部趋于扭转。这个可以由在第二振型下X,Y 方向的平动系数、扭转系数可以确定。
如何优化本工程的结构设计呢？我们可以根据图二中结构整体变形来进行判断，在结构整体空间振动简图中左边有该工程在振型二下的空间振动的幅度值。我们可以直观在看出在最左下节点与最右下节点处（图二中圆圈记号处）的幅度值分别为+1.1314和-1.1314，此处为该工程的薄弱部位。根据一般的结构常识，加强结构的薄弱部位可以更好控制结构变形。
为此，本工程在方案一基础上用PKPM计算软件分析了二个算例，分别为图三（方案二）及图四（方案三），平面布置如下：
图三（方案二）
图四（方案三）
方案二结构布置相对于方案一来说，在图中椭圆标示位置直接采用抗震墙加强本工程薄弱部位。而方案三直接采用抗震墙加强其它位置，来相对于方案一与方案二的结构布置进行比较。经过PKPM软件计算，计算结果如下表：
考虑扭转耦联时的振动周期(秒)、X,Y 方向的平动系数、扭转系数的前三振型计算结果如下：
方案二的最大层间位移角1/835，是Y方向风荷载作用下的楼层最大位移。
方案三的最大层间位移角1/724，是Y方向风荷载作用下的楼层最大位移。
方案二与方案三在第二阵型下的结构整体空间振动简图幅度值分别为±1.0787及±1.1220。
由此可以看出，方案二的结构整体空间振动简图幅度值相对于图一结构布置减小，最大层间位移角也减小了。而且方案二在第二振型下的平动系数为0.98，结构在第二振型下，更趋于平动，结构更有利。所以设计人在优化结构设计时，可以利用PKPM中结构整体空间振动简图的功能，更快找出结构设计中的薄弱点，并加强它，已达到优化设计的目的。
第二个工程实例
武汉地区的某商场，地上9层、地下3层。抗震设防烈度为6度，武汉市地震动参数分
区Ⅲc，设计基本地震加速度为0.05g，设计地震分组为第一组，设计特征周期为0.45s，水平地震影响系数最大值为0.079，建筑场地类别为Ⅲ类，建筑抗震类别为重点设防类，框架-抗震墙结构，框架抗震等级为二级，抗震墙抗震等级为三级，上部结构在底部的嵌固端位置为一层。
本工程上部结构分为A、B、C、D四个区，分区如下图五。本次仅把A区结构优化工程进行说明。
图五（武汉某商场平面分区图）
本工程计算结构简图如下图六（方案一），图六是由PKPM计算软件中SATWE后处理的各层配筋构件编号简图（第1项）功能取得的。
质量形心
刚度形心
(屋顶)
(九层)
(八层)(七层)
(四层)(六层)(五层)(二层)
(三层)
(二层)
图六（武汉某商场各层平面简图，方案一）
方案一在考虑扭转耦联时的振动周期(秒)、X,Y 方向的平动系数、扭转系数的前三振型计算结果如下
第一扭转周期T t （0.5914）与第一平动周期T 1（1.6443）的比值为0.3597，虽然满足《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3-2002）中4.3.5条的要求，但我们由上表可以看出振型三已非常接近扭转。
方案一的SATWE 位移输出结果如下：
由计算结果可以看出本工程水平荷载起主要控制为Y 方向地震荷载作用。最大层间位移角均出现在质量偶然偏心的地震力作用下，其中以Y 方向为主要作用方向。
如何对该工程进行优化？首先，由商场的平面布置（图六）可以看出该建筑具有凹凸不规则和楼板局部不连续等特点，八层由于有电影影院，该层平面楼板不连续现象较为突出。特别是八、九层平面右下部对结构尤为不利。该处采用钢筋混凝土V 型斜撑进行结构处理。七层～屋顶的斜撑局部简图如下图七。
图七（商场平面右下部七层～屋顶的斜撑布置，方案二）
方案二在考虑扭转耦联时的振动周期(秒)、X,Y 方向的平动系数、扭转系数的前三振型计算结果如下：
第一扭转周期T t （1.5514）与第一平动周期T 1（1.6148）的比值为0.9607，不满足《高
层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3-2002）中4.3.5条的要求。
方案二的SATWE 位移输出结果如下： 由上表可知，X 向最大位移与层平均位移的比值大于1.4，不满足《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3-2002）中4.3.5条的要求。
在SATWE 说明中7.2.1.1条中写明了结构的位移参考点取为每层的质量中心，即俗称“拐把模型”，详见图八。而周期则以结构的刚度中心为参考点的,这就要求刚度中心与质量中心越接近对结构越有利。对本工程来说，质量中心由于建筑功能的需求，可以调整可能性较低，所以本工程优化将从刚度着手。刚度中心X 方向向左移，刚度中心Y 方向向下移，对结构比较有利。主要想法如下图九，将Y 向刚度中心两侧的进行调整，图九位置一处减少抗震墙，图九位置二处增加抗震墙。
图八（拐把模型）
图九
方案一与方案三的局部平面对比详见图十。
位置二处方案一与方案三对比方案一方案三
图中所示的抗震墙连通。
图中所示的抗震墙取消，以梁代替。
方案三方案一位置一处方案一与方案三对比
图十
方案一与方案三的七层～九层的刚度中心与质量中心距离较大，具体数值如下：
经过此次调整，方案三在考虑扭转耦联时的振动周期(秒)、X,Y 方向的平动系数、扭转系数的前六振型计算结果如下：
第一扭转周期T t 与第一平动周期T 1的比值为0.3098，满足《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3-2002）中4.3.5条的要求。
方案三的SATWE 位移输出结果如下： 至此该工程的各项指标均可以满足规范的要求，达到优化设计的目的。
根据上述两个工程可以看出，我们在进行结构计算时，必须灵活运用软件的功能，判断和分析出结构中的薄弱环节，并采取适当的措施来加强它，以达到优化结构设计的目的。
参考书籍：
1.《SATWE 用户手册及技术条件》
城市功能区的合理布局 江西省井冈山市宁冈中学（343600）龙吉忠 【知识归纳】 一、总的原则 合理布局城市功能区(尤其是住宅区与工业区)主要考虑以下四个方面： (1)协调工业用地、住宅用地和交通用地的相对位置，既要保证工业用地和住宅用地内部的交通联系，又要在工业用地与住宅用地之间布置便利的交通，以方便这两类用地之间的联系。 (2)合理布局居住用地、工业用地的相对位置，可减少污染物对城市环境的污染。 (3)卫生防护带主要指设置在工业用地与住宅用地之间的城市绿地，带内可以植树造林，包括苗圃、花圃、果园、林场等，也可安排一些少数人使用、非长期的建筑物，如仓库和停车场等。这样既可起到防护作用，又可增加城市绿化面积，改善城市的环境。 (4)留有发展余地的目的是针对一些预想不到的情况，使各功能区有足够的“弹性”。 二、工业区的合理布局 工业区布局的总体趋势是沿交通干线往市区外缘移动，其原因有四： (1)减轻市区的污染和交通拥堵状况； (2)有充足的土地，土地租金低； (3)有便捷的交通； (4)为城市的发展预留发展空间。 在具体分析工业区布局时，则重点考虑工业污染对周边环境的影响，主要从水污染、大气污染等角度进行规划： (1)造成水污染的工厂 ①对水造成污染的工业应布局在流经城区河流的下游。 ②不能仅从单个城市来考虑，应从整个区域发展的角度来布局。因此必须在排污口的下游再设置污水处理厂。 (2)造成大气污染的工厂 ①在单一盛行风地区，将工厂布局在盛行风的下风向； ②在季风气候区，将工厂布局在与季风风向垂直的郊外； ③在风向多变地区，将工厂布局在最小风频的上风向。 ④地形：很多工厂，特别是冶金、化工等工厂，要布局在通风良好的地区，如果布局在山谷、盆地中，工厂排放的废气长久不能消散，就会严重影响人们的身体健康和生产安全。 (3)有噪声污染的工厂应远离居民区；有固体废弃物污染的工厂应远离居民区和农田。 【典例剖析】 读南亚某城市主要功能区分布示意图，回答1～2题。 1．图中甲、乙、丙对应的功能区正确的是() A．商业区工业区住宅区
重庆市求精中学高一地理备课组：王怀柱 城市功能区的合理划分 城市在规划中，城市功能分区既要保证各类用地有合理的规模配备，又要保证各功能区内的配套设施合理、均衡布局，还要让个功能区保持便利联系而不互相干扰。不仅如此，城市在形态上还要考虑城市的景观与形象，其对大局观的考查可见一斑。因此，当学生在面临这类城市功能分区的实例分析题的时候往往考虑不周，很难做到城市功能分区的合理划分，其中工业区的合理布局就经常在题中出现。那合理划分城市功能区应该注意哪些呢？ 首先，要遵循合理的城乡规划方案的主要原则：尽量少占、不占耕地；用地类型要按新建与旧城改建、扩建的不同特点来进行；要有利于城市社会经济可持续发展，尽量降低各产业生产过程中的成本投入；工业用地选择尤其要考虑与居住用地之间关系的问题；城市居住用地首先要有好的自然条件，注意与工业区的相互联系、用地数量与形态适合性，并留有发展余地；商业用地选择应首先确定商业中心、商业网店的组建形式，考虑自然、历史、社会尤其是经济因素后确定具体选址；绿地（防护带）一般在工业区与生活区之间设置。 其次，要注意工业区的布局。 1、要有便利的交通。 （1）工业用地要有便利的交通。特别钢铁、水泥等重工业运输成本高，故此类工业用地多沿公路、铁路、通航河流等交通便利的区位布置，以降低成本。 （2）工业用地与居住用地间要有便利的交通。为工人上班的方便，需要大量劳动力或妇女多的工业宜接近生活区；而需要劳动力少、占地大的工业区可远离居住区。 2、合理安排工业用地的位置，以减少对生活居住区的污染。 （1）环境污染较重的企业（钢铁、石化、砖瓦、石灰、木料加工等）和有爆炸、火灾危险的企业（煤气等）应不知在城市的远郊工业区。 （2）有一定污染、用地大、货运量大、需要采用铁路运输的企业（汽车制造业等）应布置在城市近郊的工业区。 （3）污染小、用地少、无需铁路运输或运量不大的工业企业（小型食品工业，小型纺织和服装工业，小五金、小百货，小型汽车修配厂，文教、卫生、体育器械工业，小型制药厂等）应布置在城区或居民区内的工业及工业区。 3、在工业区与生活居住区之间设置防护带。 防护带又称卫生防护带，可以是绿地，也可以是少数人使用、非常期停留的建筑（如车库、仓库等）。防护带具有两个作用：起防护隔离作用，防治工业区直接污染居住区的环境；增加城市的绿化面积，改善城市环境。 2013.03.20 Wed
2020届高三地理复习讲解：城市功能区的形态、特征与布局 一、知识讲解 住宅区：占地面积最大，城市的主要职能。分高级住宅区和低级住宅区，高级住宅区布局在环境优美的城市外缘，与高坡和文化区相连。低级住宅区布局在内城，与工业区相连。 商业区：占地面积小，呈点状分布。该区经济活动最繁忙，人口数量昼夜差别大。因该区人流货流量大，所以一般布局交通通达度好的交通干线两侧、市中心、街角路口。 工业区：呈现沿着交通干线不断向市区外缘移动的趋势。一般布局在市区外缘，降低对城市的污染，布局在交通干线的两侧，方便进出原料和产品。 二、例题分析 兰新高铁（图一）的部分路段既有地下隧道也有“地上隧道”，“地上隧道”主要目的是防止新疆境内的强风吹翻列车，其一侧有许多圆形小洞，“地上隧道”内壁采用双层结构是为了克服当地另外一种恶劣的自然环境（图二）。 据此完成下列问题。 1. 下列关于隧道的说法正确的是( ) ①甲地修地下隧道，乙地修“地上隧道”②甲地修“地上隧道”，乙地修地下隧道 ③图二内壁采用双层结构的目的是克服低温④图二内壁采用双层结构的目的是克服强风 A. ①③ B. ②④ C. ②③ D. ①④ 2. 在高铁站核心区域最适宜布局的产业活动是（） A. 物流 B. 商务 C. 工业 D. 园艺 【答案】1. C 2. B
【解析】 1.一般而言，地上隧道修建在大风区，地下隧道修建在地势起伏较大的山地。根据图示，甲地位于山间谷地，地势平坦，但甲地两侧为山地，形成狭管效应，风力大，这就需要建设地上隧道以防风。乙地需要穿过祁连山脉，地势起伏大，需要修建地下隧道。据此分析①错②对。地上隧道只需要单层就可以防风，材料中描述双层的作用是为了克服另一种恶劣的自然环境，当地纬度较高，且离冷空气源地较近，冬季寒冷，正如我国东北等地民居双层玻璃为防寒一样，这里的双层主要目的最可能是为了防冬季的严寒，故③对④错。根据以上分析本题选C。 2.高铁客运站是以旅客集散为主，高铁站核心区域人流较多，具有交通优势，也有一定的市场优势，地价也相对较高，最适宜布局的产业活动是商业活动，选项中，只有B项商务属于商业活动，选B。高铁以客运为主，货运量小不适合布局物流产业，A错误；工业一般布局在市区外缘，沿主要交通干线分布，不会占据地铁的核心区域；园艺业分布在市郊，也不会在地铁的核心区域。也就是说工业与园艺所需要的区位因素均与高铁核心区域无较大关联，据此分析选B。 三、跟踪训练 读某城市规划略图，回答1～2题。 1.N地为该城市规划预留地，最适宜建 A．客货物流区B．高新技术区C．旅游度假区D．金融商业区 答案：B点拨：N地临近大学城和科研所，最适宜建高新技术区。 2.某大型跨国零售企业欲在该市投资建设—大型超市，最合理的选择是 A．①处B．②处C．③处D．④处 答案：A点拨：大型零售企业应该选择交通便利、临近消费市场地区，①处位于
2020届高三地理复习讲解：城市功能区合理布局的原则 一、知识讲解 城市功能区合理布局的原则 （1）住宅区的布局要求：高级住宅区的布局一般考虑“上风(上风向)、上水(河流上游)、高坡(地势较高处)、近文教区、环境优美”；低级住宅区一般靠近工业区，便于工人上下班等。 （2）工业区的布局要求：便利的交通；合理安排工业用地的位置，以减少对居住区的污染；基本无污染的工业可布局在市区内，有污染的工业应远离城市，有大气污染的企业应布局在最小风频的上风向地带，有水体污染的企业应布局在河流的下游区；在工业区与生活居住区间设置防护带；留有发展余地等。 （3）商业区的布局要求：商业区的布局一般有市场最优原则(靠近城市几何中心)和交通最优原则(市区边缘环路或高速公路出入口处)。 二、例题分析 读下图“我国某城市规划示意图”，据此完成下列各题。 1. 甲、乙、丙所代表的城市功能区分别是 A. 商业区、住宅区、工业区 B. 商业区、工业区、住宅区 C. 行政区、宗教区、住宅区 D. 行政区、工业区、宗教区 2. 对该城市功能区的评价，正确的是 A. 城市功能区布局分散，城市地域结构呈多核心模式 B. M、N两地属同一功能区，距市中心距离相差不大，土地租金相同 C. 从工业区的布局来看，该城市盛行东南风
D. 地形和河流是影响该城市功能区规划的重要因素 3. 下列有关图中四地的描述，正确的是 A. ①地适宜布局自来水厂 B. ②地适宜布局高级住宅区 C. ③地人口密度昼夜差异大，夜晚人口密度较大 D. ④地适宜兴建幼儿园 【答案】1. B 2. D 3. A 【解析】 1.本题主要考查城市功能区的分布。甲功能区位于市中心，占地面积小，成带状分布，应为商业区；乙功能区分布在市区外围，靠近河流，且面积比丙功能区小，应为工业区；丙功能区占地面积广大，且分布在商业区外围，应为住宅区，故B 选项正确。一般而言，城市住宅区所占城区面积比例最大，A选项错误；一般发展较为完善的城市都有商业区的分布，C、D选项中没有反映出商业区的存在，故C、D选项是错误的。故选B。 2.本题主要考查城市功能区特点。该城市功能区分布紧凑，城市地域结构没有构成多核心模式，A选项错误；M、N两地都位于住宅区，M地位于主城区河流对岸一侧，N地靠近商业区且交通更为便利，两地的租金一般有较大的差距，B选项错误；该城市的工业区位于城区东南方向，盛行风向应该不是东南风，C选项是错误的。该城市位于河谷地区，两岸山地、丘陵广布，地形和河流是影响该城市功能区规划的重要因素，D选项是正确的。故选D。 3.本题主要考查城市功能分区的应用。①地位于流经城市河流的上游，水质较好，适宜布局自来水厂，A选项正确；②地靠近工业区，不适宜布局高级住宅区，B 选项错误；③地位于市中心商业区，人口密度昼夜差异大，夜晚人口密度较小，C选项是错误的；④地目前作为城市预留用地，基础设施薄弱，离住宅区有一定的距离，不适宜修建幼儿园，D选项是错误的。故选A。 三、跟踪训练 读下面“我国东部沿海地区的某城市示意图”，回答1～3题。
经纬地理工作室原创作品 城市功能区的合理布局 江西省井冈山市宁冈中学(343600 )龙吉忠 【知识归纳】 一、总的原则 合理布局城市功能区(尤其是住宅区与工业区)主要考虑以下四个方面： (1) 协调工业用地、住宅用地和交通用地的相对位置，既要保证工业用地和住宅用地内 部的交通联系，又要在工业用地与住宅用地之间布置便利的交通，以方便这两类用地之间的 联系。 (2) 合理布局居住用地、工业用地的相对位置，可减少污染物对城市环境的污染。 (3) 卫生防护带主要指设置在工业用地与住宅用地之间的城市绿地，带内可以植树造林，包括苗圃、花圃、果园、林场等，也可安排一些少数人使用、非长期的建筑物，如仓库和停车场等。这样既可起到防护作用，又可增加城市绿化面积，改善城市的环境。 (4) 留有发展余地的目的是针对一些预想不到的情况，使各功能区有足够的“弹性”。 二、工业区的合理布局 工业区布局的总体趋势是沿交通干线往市区外缘移动，其原因有四： (1) 减轻市区的污染和交通拥堵状况； (2) 有充足的土地，土地租金低； (3) 有便捷的交通； (4) 为城市的发展预留发展空间。 在具体分析工业区布局时，则重点考虑工业污染对周边环境的影响，主要从水污染、大气污染等角度进行规划： (1) 造成水污染的工厂 ①对水造成污染的工业应布局在流经城区河流的下游。 ②不能仅从单个城市来考虑，应从整个区域发展的角度来布局。因此必须在排污口的下 游再设置污水处理厂。 (2) 造成大气污染的工厂 ①在单一盛行风地区，将工厂布局在盛行风的下风向； ②在季风气候区，将工厂布局在与季风风向垂直的郊外； ③在风向多变地区，将工厂布局在最小风频的上风向。 ④地形：很多工厂，特别是冶金、化工等工厂，要布局在通风良好的地区，如果布局在山谷、盆地中，工厂排放的废气长久不能消散，就会严重影响人们的身体健康和生产安全。 ⑶有噪声污染的工厂应远离居民区；有固体废弃物污染的工厂应远离居民区和农田。 【典例剖析】 读南亚某城市主要功能区分布示意图，回答1?2题。 因甲田乙冏丙公路 显风M区 N河流 1. 图中甲、乙、丙对应的功 能区正确的是() A .商业区工业区住宅区
地理专题练习——功能区分布图 一、单项选择题 读右上海市示意图，回答1—3题。 1．图中商业中心的区位，以市场最优为原则的是 A．①B．② C．③D．④ 2．上海港区位的有利条件是 A．多岩质海岸，不淤不冻，为天然良港 B．上海港有京沪铁路和浙赣铁路相连接 C．上海港以上海市为依托，腹地广阔 D．港区主要沿长江分布，水域宽阔通航能力强 3．关于上海浦东新区的叙述，正确的是 A．浦东新区位于黄浦江以东，黄海以西 B．新区城市建设模式为同心圆、放射式 C．目前新老城区彼此联系不便，成为阻碍新区 发展的不利因素 D．工业是浦东新区国民经济的主要支柱 读下列两幅图，据图回答4—5题。 4．该城市从地域形态上看属于（A ） A．组团式B．集中式C．条带式D．放射状 5．根据右图信息，甲城市火力发电站适合选择在（D ） A．①点B．②点C．③点D．④点 6．都市农业是一种属于都市、服务于都市的全功能大农业，它在给都市提供物质食品的同时，又提供“精神食品（观光、娱乐、休闲……）”，根据“都市农业”的特点（如图），在都市农业模式的3个农业圈中，布局最合理的一组是
A ．①休闲农庄②城市绿化带③农业文化园 B ．①禽蛋蔬菜基地②农业文化园③休闲农庄 C ．①农业文化园②休闲农庄③禽蛋蔬菜基地 D ．①农业文化园②禽蛋蔬菜基地③休闲农庄 下图为某家庭农场示意图，据此回答7—8题。 7．该农场最可能分布在 Ａ．美国中西部的大平原上 Ｂ．澳大利亚大分水岭西侧 Ｃ．阿根廷的潘帕斯草原上 Ｄ．中国的珠江三角洲 8．下列有关此农场的叙述，正确的是 ①集约化程度很高 ②以轮作和休耕的方式维持地力 ③完全依赖附近河流灌溉 ④农场中作物栽培与畜牧活动的空间分布受坡度影响 Ａ．①② Ｂ．①③ Ｃ．②④ Ｄ．③④ 9．．读某城市平面图，判断各工业区布局相对合理的是 A ．①微电子工业、②纺织工业、③食品工业、④化学工业 B ．①纺织工业、②化学工业、③食品工业、④微电子工业 C ．①食品工业、②化学工业、③微电子工业、④纺织工业 D ．①食品工业、②纺织工业、③化学工业、④微电子工业 下图为“某城市内部功能分区示意图”，读图完成10—12题。 10．在图中，③区 A ．是城市的生产中心 B ．常住居民最多 C ．内部分区明显 D ．环境质量最差 11．在②区内，可以布局 A ．学校、体育馆 B ．消防车库、城市雕塑 C ．政府机关、停车场、 D ．超市、文化馆 12． ①、④是住宅用地为主的卫星城。造成它们地价差异的主要因素，并不．是 A ．与市中心的距离 B ．自然环境条件 C ．基础服务设施 D ．交通通达度