高層建筑結構設計優化與施工措施探討

劉凱 蔣炳禮 郭彬彬

摘 要：建筑工程建設中的基礎材料混凝土既存在較高的結構強度、剛度及較長的安全性與耐久性等優勢，同時也容易在外部環境因素與自身因素的影響下發生變形、裂縫、斷裂等問題，建筑單位要想將混凝土的應用優勢發揮地淋漓盡致就必須努力做好對于其結構設計的優化。尤其是高層建筑，其層數較多、空間結構的變化性較大，對安全性、耐久性及抗震性能的要求較高，在某種程度上其混凝土結構設計的優化更為重要。

關鍵詞：高層建筑；混凝土結構；設計優化

1 高層住宅建筑結構優化設計方法

（1）限制結構平面布置的不規則性避免產生過大的偏心而導致結構產生較大的扭轉效應。高層建筑混凝土結構技術規程435條規定：在考慮偶然偏心影響的地震作用下，樓層豎向構件的最大水平位移和層間位移，A級高度高層建筑不宜大于該樓層平均值的1.2倍，不應大于該樓層平均值的1.5倍。抗震設計的A級高度鋼筋混凝土高層建筑其平面布置宜簡單、規則、對稱、減少偏心。結構平面布置必須考慮有利于抵抗水平和豎向荷載，受力明確，傳力直接，力爭均勻對稱，減少扭轉影響。結構剛度不對稱也會產生扭轉。所以在布置剪力墻時，應使結構均勻分布，令荷載合力作用線通過結構剛度中心，以減少扭轉影響。結構剛度不對稱產生扭轉時，通過增加墻厚來調整扭轉效應效果不佳。高層剪力墻結構住宅中剪力墻影響剛度，而剪力墻為矩形截面，慣性矩為IZ=bh3/12，b為墻厚，h為墻長。剪力墻的長度對其剛度影響很大。首先分析哪部分結構剛度大，哪部分結構剛度小，增大剛度對結構有利，還是減小剛度對結構有利，通過增減剪力墻達到結構剛度均勻對稱，滿足高層建筑混凝土結構技術規程435條對最大水平位移和層間位移的要求。

（2）限制結構的抗扭剛度不能太弱。高層建筑混凝土結構技術規程435條規定：結構扭轉為主的第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比，A級高度高層建筑不應大于0.9。扭轉耦聯振動的主方向，可通過計算振型方向因子來判斷，在兩個平動和一個轉動構成的三個方向因子中，當轉動方向因子大于0.5時，則該振型可認為是扭轉為主的振型。當不滿足以上要求時，宜調整抗側力結構的布置，增大結構的抗扭剛度。如在滿足層間位移比的情況下，減小某些（中部）豎向構件剛度，增大平動周期，加大端部豎向構件抗扭剛度，減小扭轉周期。

（3）高層建筑的基礎形式應選用整體性好，能滿足地基承載力和層建筑容許變形的要求，并能調節不均勻沉降，達到安全實用和經濟合理的目的。以下討論平板式筏基和梁板式筏基經濟合理的問題。平板式筏基與梁板式筏基相比較具有節約鋼材、混凝土，施工工期短等優點。住宅一般開間小，即剪力墻間距小，并且剪力墻剛度大，所以剪力墻完全可以起到梁板式筏基中基礎梁的作用。采用中國建筑科學研究院編制的JCCAD軟件，用有限元法對不同基礎形式進行基礎計算，發現平板式筏基和梁板式筏基的板厚及配筋相差不多，但梁板式筏基卻有基礎梁的配筋、混凝土用量和基礎梁支模等情況。當采用梁板式筏基時有的基礎梁的剛度達不到它所應起到的剛度作用，計算時超筋。

（4）高層建筑平面凹入較深時構造處理。高層建筑平面不規則，容易發生震害，在不妨礙建筑使用的原則下可以采取以下措施：設置拉梁或拉板（板厚為250mm-300mm），拉梁拉板內配置受拉鋼筋，滿足梁板最小配筋率要求。

（5）高層住宅轉角窗處的構造處理。角部墻體開洞，與角部墻體不開洞的剪力墻結構相比，結構整體效應影響頗大，結構的抗側力剛度、自振周期、地震作用等均有不同程度的差異，角部墻體開洞的剪力墻結構其外墻內力明顯增大。開洞的角部各構件扭轉效應明顯，特別是洞口處的連梁，需配置抗扭鋼筋，轉角處樓板宜局部加厚，配筋宜適當加大，在轉角處板內設置連接兩側墻體的暗梁。

（6）不規則樓板的計算。在居住建筑中由于平面使用功能的需要，常出現不規則樓板，以往處理方法在缺口設梁，樣影響建筑的美感。現在設計中改設暗梁，梁適當加寬。樓板的承載力潛力較大，計算時可按一般梁計算。通過結構優化設計來降低工程造價是控制工程。

2 高層建筑優化具體施工措施

（1）施工預案。施工單位應針對高層建筑的特點編制嚴謹、詳盡的施工組織和管理方案。用來指導整個施工過程。內容包括：施工工序的安排，各工種進入工地的時間，關鍵部位的施工方法，對易出現的質量問題提出預控措施，制定出成品保護措施等。

（2）施工階段的進度控制。由于現代高層建筑具有規模龐大，工程結構與工藝復雜，建設周期長及相關單位多等特點，決定了工程進度將受到許多因素的影響，要想有效地控制工程進度，就必須對影響進度的有利因素和不利因素進度全面、細致的分析和預測。這樣一方面可以促進對有利因素的充分利用和對不利因素的預防；另一方面也便于來制定預防措施，事中采取有效對策，事后進度妥善補救，以縮小實際進度與計劃進度的偏差，實現對高層建筑進度的靜態控制和動態控制。

實施進度控制的目標就通過有效的進度控制工作和具體的進度控制措施，在滿足投資和質量的前提下，力求使高層建筑的實際工期不超過計劃工期，以保證高層建筑按期完成。在高層建筑計劃階段所確定的工期目標，往往是綜合考慮各個方面的因素而確定的合理工期，因此，時間上的任何變化，無論是進度拖延還是超前，都可能造成其它目標的失控。例如，在一個高層建筑施工總進度設計中，由于某項工作的進度超前，致使能源的需求發生變化，而打亂原計劃對人、材、機等資源的合理安排，亦將影響資金計劃的使用和安排，特別是多個作業隊平行施工時，由此引起后續工作時間安排的變化，勢必給項目總體的協調工作帶來許多困難。

（3）控制高層建筑的工程變更。由于建筑設計與工程實際情況不可能完全一致，設計人員的技術水平和工作能力使設計圖紙未達到開發商的要求和施工的深度，開發商根據實際情況對工程的修改或補充等原因致使工程變更和設計變更在所難免。而這些變更必然會帶來工程量的增減和工程造價的變化，極端情況下會出現工程造價難于控制的局面。因此在設計部門應切實做好調研工作，弄清開發商真實意圖，對施工場地進行詳細踏勘。在施工過程中應嚴格控制工程量，力求變更最少。

（4）高層建筑施工監理工作。高層建筑施工監理十分重要，它是監督工程質量、確保工程進度、控制工程造價的重要環節。監理工程師在施工階段關系到是否要設計變更和工程變更的決定時，他們往往能根據自身的技術優勢做出合理正確的選擇，這一點許多建設方代表因其經驗、閱歷及技術受各方面的條件制約而無法做到。

綜上所述，混凝土是影響建設質量的關鍵性因素之一，因此結構設計人員必須加強對其設計原則的分析與掌握，立足于具體的設計原則，從整體的設計工作及具體的設計內容等方面入手，采取有效的策略推動混凝土結構設計的優化完善。

參考文獻：

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