高層建筑混凝土結構優(yōu)化設計的探討

孫 霄 劉茂野

（1.山西水利職業(yè)技術學院，山西 運城 044000； 2.中國聯(lián)合工程有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

混凝土結構是目前各類建筑中最常見的結構，在高層建筑中起著不可替代的作用。高層建筑的混凝土結構主要有組合結構和鋼筋混凝土結構兩種類型。在混凝土結構設計過程中，需要兼顧使用需求和安全性能，但在結構設計過程中，卻存在一些不足之處。因此，需要明確混凝土結構中存在的問題，并提出相關的解決措施來優(yōu)化設計，促進高層建筑的發(fā)展。

1 高層建筑混凝土結構種類

高層建筑采用混凝土結構設計時常用組合結構和鋼筋混凝土結構。

1.1 組合結構

該種結構不僅具有鋼筋混凝土結構的優(yōu)勢，同時混凝土在鋼管內(nèi)處于三軸受壓狀態(tài)，自身的承載力得到進一步提高，有利于節(jié)約大量的鋼材，對周邊環(huán)境的負面影響比較小，工程建設周期也比較短，因此在高層建筑的設計和施工過程中，合理利用組合結構，能夠取代鋼筋混凝土結構和鋼結構。針對不同的用途，組合結構可以分為鋼筋混凝土組合結構和組合砌體結構。在一些層數(shù)比較高的建筑中，結構構件承受的內(nèi)力比較大，對鋼筋混凝土構件的尺寸有著更高的要求，這時就可以采用鋼筋混凝土組合結構，利用鋼管混凝土結構和型鋼混凝土組合結構（圖1所示）代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼筋混凝土構件，能夠有效發(fā)揮鋼和混凝土的不同優(yōu)勢；組合砌體則主要應用于多層建筑中。

圖1 型鋼混凝土組合結構設計

1.2 鋼筋混凝土結構

框架-剪力墻結構（圖2所示）、框架體系和剪力墻體系是高層建筑鋼筋混凝土結構體系中的三種代表。新型的結構體系一般以筒體的組成方式進行劃分，主要可以細分為多束筒體系、框筒體系和筒中筒體系。不同于傳統(tǒng)的單片平面結構，筒體結構的承載力更大，同時也具有更強的抗側移剛度，在一些功能要求比較高的高層建筑中，該種結構的應用較為廣泛，是一種大多數(shù)建筑設計者都比較熟悉的結構形式。

圖2 框架-剪力墻結構

2 高層建筑混凝土結構設計中存在的問題

2.1 設計選型的問題

由于高層建筑結構相對復雜，在對混凝土結構選型時會出現(xiàn)很多矛盾，比如結構是巨型化還是自重輕型化，又或者是開間擴大化，高層是轉換層還是加強層，這些在設計的時候都需要進行仔細考量。因此在設計選型時，要及時掌握新的建筑規(guī)范，明確建筑規(guī)則，避免設計出的高層建筑不符合現(xiàn)有的規(guī)定。在設計過程中要考慮周圍的地理情況，避免出現(xiàn)返工，也要避免為了追求效果而出現(xiàn)不可操作的情況，影響施工的進度和質(zhì)量。

2.2 設計統(tǒng)籌的問題

剪力墻設計是結構中非常重要的一步，剪力墻具有均勻、對稱的設計原則，可以給整個建筑物節(jié)省空間，視覺寬闊，因此很受歡迎。所以在設計剪力墻的時候不能改變其結構，否則會影響到其他與之有關的結構，從而對建筑物的整體結構產(chǎn)生影響。高層建筑物的地基比低、中層的地基承重力大，在設計的時候要考慮到地基的重要性，并采取相應的措施來增加地基的承受力，確保建筑物不會因為地基問題而受到影響。總之，在設計混凝土結構時要考慮全面，不可忽視任何對結構產(chǎn)生影響的因素。

2.3 材料選擇的問題

不同材質(zhì)的混凝土應用在高層建筑建設中各有其局限性設計時對材料考慮不周會導致結構強度不可靠或者資源浪費,增加建設成本。運用于建筑的混凝土結構材料可以大致分為素混凝土、鋼筋混凝土、預應力混凝土。素混凝土是單純的混凝土，抗剪強度低，難以充當高層建筑結構的材料，所以高層建筑混凝土結構常用鋼筋混凝土和預應力混凝土。鋼筋混凝土抗拉強度良好、制作方便，而且成本低，但作為抗拉構件時存在徐變和容易開裂的問題，而且自重較大，不利于抗震和施工時的吊裝，此外在天氣狀況不佳的情況下施工，鋼筋混凝土部件的連接也會出現(xiàn)問題。預應力混凝土由于提前添加預應力，可以增強混凝土結構的抗裂性能，適用在可適當變形的建筑中，對于高層建筑而言是一種優(yōu)良材料，但預應力混凝土結構設計復雜，并且加工工藝難度高，造價也較高。所以，在混凝土結構設計中需要重視材料的合理選擇，以兼顧工程質(zhì)量及造價成本。

3 高層建筑混凝土結構設計的優(yōu)化措施

3.1 合理應用BIM 信息技術

在混凝土結構設計中，可以借助BIM技術，通過構建建筑模型進行模擬實驗，讓設計者更加直觀地看到設計模型，修改設計中的不足，不僅可以加強設計者和需求者之間的交流，滿足用戶的實際需求，同時也能夠有效避免施工過程中的不足，發(fā)現(xiàn)問題在短時間內(nèi)進行解決，保障工程的施工進度。在設計過程中還可以利用信息技術來對大量的施工數(shù)據(jù)進行分析和計算，避免出現(xiàn)人為計算的錯誤，提高數(shù)據(jù)的準確率，減少因施工數(shù)據(jù)偏差影響后續(xù)施工的穩(wěn)步推進。

3.2 提高設計人員素質(zhì)

設計人員的素質(zhì)和專業(yè)能力對混凝土結構設計方案有著重要作用，因為混凝土結構設計大多取決于設計者的想法，因此提高設計人員的綜合素質(zhì)至關重要。設計人員首先要了解混凝土的特性以及高層建筑對混凝土結構的需求，這就需要施工單位給設計人員配備相關的設計模擬實驗室，并且配備實驗所需的混凝土等施工材料，讓設計人員可以親手實踐操作，明確在設計方案中存在的不足以及該采取怎樣的解決措施。除此以外，企業(yè)還應該定期對設計人員進行培訓，讓設計人員能夠與時俱進，了解對高層建筑和混凝土結構的最新要求，以便設計者在設計結構時可以按照嚴格的規(guī)范設計，保證混凝土結構的整體效果。

3.3 正確選擇加固設計

針對混凝土結構材料應用在高層建筑中本身的缺陷，需要采取正確的措施來進行加固，面對不同的混凝土結構，所采用的加固方法也有所不同，比如增大截面、置換混凝土、采用外粘型鋼、粘貼纖維復合材等加固方法[3]。如果鋼筋混凝土結構加固方法設計不規(guī)范不合理，會導致混凝土結構的使用周期變短，甚至出現(xiàn)變形，所以要嚴格規(guī)范使用加固方法以防混凝土無法承受高層建筑帶來的外荷載作用，保障用戶的居住體驗和居住安全。因此設計者在對結構進行設計時要基于實際需求，對不同的加固方法和倒塌機制進行分析，例如遇到鋼筋混凝土受到擠壓變彎的情況時，可以選擇增大截面的加固方法，分擔其承受力，提高混凝土的強度。置換混凝土的加固法適用于承重構件受壓區(qū)混凝土嚴重缺少或者強度不夠的情況，主要原理是利用一定的支點，填入一定的混凝土或者將混凝土進行調(diào)換。總之在設計時需要考慮運用合適的加固方法，避免隨意使用，影響混凝土結構的建設質(zhì)量[1]。

3.4 加強裂縫防治設計

裂縫問題是混凝土施工中最容易出現(xiàn)的問題，所以在設計過程中要特別重視混凝土裂縫。混凝土的裂縫分為靜止裂縫、活動裂縫和尚在發(fā)展的裂縫三種。在設計過程中要秉持整體眼光，比如遇到尚在發(fā)展的裂縫時，首先不要急于修補，因為還不能確定裂縫的長度和寬度，要等待其不再發(fā)展之后再進行修補，而修補也是要講求一定的方法，比如注射法只是適用于0.1mm～1.5mm的靜止且獨立的裂縫、蜂窩狀的裂縫和貫穿性的裂縫[1]。所以針對出現(xiàn)裂縫的狀況，在設計中應該科學合理地設置沉降縫，可以有效地避免受力過于集中，壓塌某一局部位置，減輕因為受力不均導致地基的下降，而且在設計的時候也要嚴格地計算出混凝土結構的配料比例，確保混凝土的質(zhì)量，盡量減少混凝土因為結構問題產(chǎn)生的裂縫，提高高層建筑的質(zhì)量。

3.5 提高安全設計標準

建筑安全是設計者首先需要考慮的。因此，在設計時要根據(jù)用戶需求選擇高標準的混凝土，避免使用低質(zhì)量的混凝土導致結構硬度不夠，承受力不過關，結構不夠耐久，影響高層建筑的質(zhì)量，甚至影響到用戶的安全使用。除此之外，還應該考慮到一些不可控力因素，比如地震等自然災害的影響，在設計時則要根據(jù)建筑物的抗震性能設計標準，提高混凝土的質(zhì)量等級符合安全標準，確保混凝土結構能夠承受住一定強度的地震，保障用戶的安全。

3.6 完善剪力墻設計

作為建筑重要的承重結構，剪力墻設計關系到整個建筑的穩(wěn)定性，推進剪力墻的設計優(yōu)化工作，對于提高高層建筑的建設效率和質(zhì)量有著重要意義。結合剪力墻施工和建設的實際情況來看，剪力墻的結構較為規(guī)則，施工流程較為明確，在應用剪力墻結構時，墻體厚度一般能夠達到200mm，如果存在轉彎部分，可以通過多個彎面的設計，保障側向剛度免遭破壞。在高層建筑的施工過程中，要避免大量使用短肢剪力墻，因為這會影響混凝土結構的承重能力。在剪力墻設計中，要采取集中布置的模式，避免破壞建筑的內(nèi)部空間，綜合考慮建筑的多類承重部分。

3.7 優(yōu)化原材料選用設計

對于高層建筑，材料的選用直接決定了混凝土結構的整體質(zhì)量。優(yōu)化混凝土結構設計，在選材上就是要在保證質(zhì)量的前提下盡可能地減少鋼筋用量，降低工程造價，因此，在設計時要優(yōu)先考慮選擇高強鋼筋。由于建設需求和土地資源缺乏相沖突，有時不可避免地需要在軟土地基上進行工程建設，增大建設成本。為了減少工程造價，降低施工難度，一方面對建筑有強度要求，另一方面還要想辦法減輕建筑對地基產(chǎn)生的荷載，最大程度上減輕混凝土的總重，在設計時對鋼筋混凝土構件的界面尺寸進行優(yōu)化。從地震等自然災害對于高層建筑所造成的危害分析可知，地震危害程度有一部分就取決于建筑物的自重，因此，在設計高強度混凝土和高強度鋼筋時，根據(jù)現(xiàn)有的技術標準綜合考量，最大程度上減少各構件截面尺寸，進一步減少鋼筋總量，降低建筑物的重量，在減少工程造價的同時，使建筑物的安全性得到顯著提升。

4 結束語

綜上所述，高層建筑的混凝土結構設計存在結構選型、設計統(tǒng)籌和材料選擇等問題。為了優(yōu)化混凝土結構設計工作，需要綜合考慮高層建筑自身的特點和用戶的實際需求等多種因素，充分利用各種優(yōu)化措施，明確最優(yōu)結構方案，保障高層建筑工程施工的穩(wěn)步推進。