高層建筑中混凝土結構的優化設計

閆一江 杜盛舟

【摘要】隨著現代化城市進程的加快，各個地區的高層建筑工程項目越來越多，由于高層建筑的樓層多、施工面積大，對于建筑結構的安全性和穩定性要求更高。高層建筑中混凝土結構有多種不同的類型，不同的混凝土結構，適用環境和特點是不同，因此應結合高層建筑的實際施工要求，根據當地的氣候條件和環境情況，采用合適類型的混凝土結構，并且做好高層建筑中混凝土結構的優化設計，提高混凝土結構的安全性和穩定性，保障高層建筑施工質量，推動高層建筑快速發展。本文簡要介紹了高層建筑中混凝土結構的設計要求，分析了高

層建筑混凝土結構類型，闡述了高層建筑中混凝土結構的優化設計策略。

【關鍵詞】高層建筑；混凝土結構；優化設計

近年來，我國高層建筑項目蓬勃發展，積累了大量的高層建筑施工管理、施工技術和施工工藝等方面的經驗，但是和國外一些發達國家相比，我國高層建筑中混凝土結構設計還存在很多不足，一方面混凝土結構設計不合理，影響高層建筑的空間使用功能；另一方面，混凝土結構設計不穩定性。因此針對高層建筑混凝土結構設計的現實問題，要根據高層建筑混凝土結構設計要求，分析不同類型混凝土結構的特點，做好混凝土結構優化設計，為人們提供一個舒適、健康、安全的生活環境。

一、高層建筑中混凝土結構的設計要求

1、可靠性

高層建筑混凝土設計的可靠性是指在高層建筑使用年限和混凝土結構設計基準期范圍內，混凝土結構應充分達到動力性能、剛度、穩定性、安全性、耐久性等性能要求，并且還要確保即使高層建筑超出使用年限，在各種性能不斷降低基礎上，仍然可以正常使用。

2、耐久性

高層建筑混凝土結構設計應滿足耐久性要求，在規定的使用年限內，高層建筑混凝土結構設計必須保持良好的結構耐久性，例如，混凝土結構裂縫寬度和長度不能超出標準范圍，并且鋼筋保護層厚度必須符合應用要求，避免鋼筋受到外界環境潮濕空氣的影響，出現銹蝕、腐蝕等問題。

3、安全性

高層建筑混凝土結構設計的安全性要求，主要以高層建筑使用年限為依據，在預定年限時間內，高層建筑混凝土結構必須始終能夠承受外部和內部的各項荷載力[1]，即使遭受到突發性的破壞性時間，應確保混凝土結構能夠保持穩定狀態，防止出現大面積的結構性損壞。

二、高層建筑結構類型

1、鋼筋混凝土結構

鋼筋混凝土結構主要由混凝土和鋼筋構成，采用鋼筋混凝土施工材料來建設升板、使用滑模、大模板現澆結構和薄殼結構等主要承重部件。鋼筋混凝土結構具有良好的整體性能，并且剛度大、成本低、維護方便、位移小、耐高溫，在安全性、穩定性和耐久性等方面具有不可比擬的優勢。近年來，各種混凝土增強材料不斷涌出，高強混凝土、鋼混凝土和鋼管混凝土等技術日益成熟，鋼筋混凝土結構在各個地區的高層建筑工程的應用越來越廣泛。

2、組合結構

組合結構是指由組合砌體結構和鋼筋混凝土結構組合而成的一種結構體，組合砌體結構由鋼筋混凝土面層和磚砌體組成，這種組合轉砌體構件和鋼筋混凝土結構不同，其不僅具有鋼筋混凝土結構的各種優點，還具有節約鋼材、污染小等特點，可極大地降低高層建筑結構施工成本，并且施工工藝比較先進，在組合結構中，鋼管縫隙中填充著大量的混凝土，混凝土在鋼管中處于三軸受壓狀態，可極大地提高干鋼管穩定性和承載能力[2]，并且節約鋼材，因此組合結構也是一種重要的混凝土結構形式，在一定條件下，組合結構比鋼筋混凝土的應用范圍更加廣泛，其不但可應用在各種建筑工程項目中，還可以應用在電力、冶金、造船等領域。

3、新型結構

框架體系和剪力墻體系是高層建筑混凝土結構設計最常見的兩種類型，而新型結構體系，其根據筒體組成方式進行區分，可分為束筒體系、框筒體系和筒中筒體系，和普通單片平面結構體系相比，新型結構體系具有更高的承載能力，并且筒體具有良好抗側剛度。當前，這種新型結構體系在樓層較多并且功能較全的高層建筑中應用較廣泛。

三、高層建筑中混凝土結構的優化設計策略

1、優化結構單元設計

高層建筑混凝土結構設計首先應做好優化結構單位設計，獨立的結構單元設計適合采用規則、簡單的平面形式，混凝土結構突出部分和平面部分的長度應控制在合理范圍內，保持均勻分布的剛度和承載力。并且，豎向單元結構適合采用規則、均勻的形式，從而有效控制高層建筑的內收和外挑問題。高層建筑混凝土結構設計應充分滿足高層建筑的美觀度、實用性和安全性等要求，以概念設計的知識和理念作為參考，優化混凝土結構設計，使混凝土結構的豎向和平面布局實現規則性、均勻和簡單的要求[3]，確保混凝土結構承載力和剛度合理分布，避免高層建筑混凝土結構由于受到集中的塑性應力而發生變形。

2、優化鋼筋和混凝土使用

高層建筑施工建設需耗費大量的鋼材、混凝土等材料，如果鋼材和混凝土強度較大，會導致高層建筑施工材料總造價超標，并且增加其他部件的造價，降低高層建筑的經濟效益，因此高層建筑混凝土結構設計應優化鋼筋和混凝土材料的使用和控制。例如，位于地震區的高層建筑，由于地震作用程度和高層建筑自重成正比例關系，因此混凝土結構設計應盡量減少高強度鋼筋和混凝土的使用量，在減輕高層建筑柱、墻、板、梁等構件自重基礎上，提高高層建筑混凝土結構的抗震性，確保高層建筑的安全性。又如，位于軟土地基的高層建筑，由于軟土地基存在很多不穩定因素，混凝土結構設計應注意合理優化高層建筑混凝土結構各個構件的截面尺寸，減輕高層建筑混凝土結構重量，消弱高層建筑基礎工程施工難度，提高高層建筑混凝土結構整體穩定性。

3、優化剪力墻平面結構設計

高層建筑混凝土結構設計應充分考慮剪力墻結構平面布局，優化剪力墻平面結構設計，確保高層建筑混凝土結構整體受力的均勻性，使高層建筑受到側向力影響發生的位移控制在允許范圍內。高層建筑剪力墻平面結構優化設計應做好以下兩方面內容：一方面，以高層建筑主軸方向為基準，雙向布置剪力墻結構，墻肢截面設計應以簡單的側向剛度規則形式為主，混凝土結構設計應盡量避免使用短肢剪力墻；另一方面，應以高層建筑混凝土結構的基本功能為依據，優化剪力墻布置，實現剪力墻結構設計的均勻化和集中化，在平面形式變化較大的部位設計剪力墻，縮小高層建筑剪力墻結構間距。

4、提高結構安全性

高層建筑樓層多，人群密度高，一旦發生火災，人們不易逃脫，并且也難以實施救治，因此高層建筑混凝土結構設計必須滿足安全性要求。設計人員在保證高層建筑各項功能的基礎上，考慮外部人為因素造成混凝土結構破壞和高層建筑結構的抗震性能，有針對性地提升高層建筑的抗震等級。并且，從高層建筑整體結構出發，加強混凝土結構設計的牢固度和穩定性，在公共屬性較高的高層建筑中，盡量減少裝配式或磚砌承重的混凝土結構，優先選擇現澆的鋼筋混凝土結構。同時，設計人員應結合高層建筑的使用性能，綜合考慮混凝土結構的荷載變化，高層建筑的構件承載力和荷載標準值設計應具有較大的彈性裕度[4]，確保高層建筑在各級火災和地震等災害中，對自身混凝土結構具有良好的穩定性和安全性。

5、提高結構抗震性

高層建筑混凝土結構最容易受到的損壞主要來自地震威脅，因此在混凝土結構設計過程中，應滿足抗震性要求，可通過對高層建筑混凝土結構進行抗震試驗，得出該高層建筑結構的最低抗震性要求，或者借鑒高層建筑混凝土結構的抗震設計經驗，優化設計高層建筑的結構構件、平立面體系和結構體系，從而有效提升高層建筑的抗震性。在高層建筑混凝土結構構件的延展性方面，應盡量加大柱、梁端的組合剪力，提高梁端鋼筋的彎矩和柱體抗彎性能，使高層建筑柱端和梁端充分發揮塑性性能，在外部荷載作用下，保持高層建筑混凝土結構的穩定協調。在平立面設計方面，高層建筑混凝土結構設計應盡量采用均勻對稱的墻體設置形式，提升電梯或者樓梯的井筒等高強度結構布置的均勻性和集中性，高層建筑混凝土結構的抗震墻設計應符合抗震需求，全面提升高層建筑平面結構的抗震性。并且使高層建筑各轉換層結構盡量接近豎向剛度分布，剪力墻設計可以保持墻面豎向到底部的貫通。在混凝土結構體系設計方面，應盡量選擇平面布局和空間結構規則簡單的形式，例如高層建筑的平面布局，可采用扇形、方形、圓形、矩形等結構形式作為抗震結構體系，避免使用過長的伸展翼或者不對稱的側翼，通過對混凝土結構進行合理布局，使高層建筑實現均勻平衡的剛度和質量分布。

6、提高結構耐久性

首先，合理設計高層建筑混凝土結構構造形式，根據高層建筑的設計使用年限和具體侵蝕環境，設計厚度為20mm～60mm的混凝土保護層，仔細計算構件的表面積和截面積，避免出現侵蝕性物質集中的區域，并且確保混凝土墻板在高侵蝕度環境中保持良好的通風效果，合理設計配筋間距，避免出現保護層剝離、鋼筋銹蝕等問題。其次，優化結構使用設計，高層建筑混凝土結構包含多個構件，由于不同構件所處的外界環境不同，因此不同構件的耐久性也存在差異，設計人員應結合高層建筑的實際環境，明確不同結構構件的注意事項和使用接線。最后，選擇性能優良的混凝土材料，高層建筑混凝土結構設計應嚴格把關混凝土材料的基本性能和質量，從混凝土結構的抗裂性能、抗侵入性能和穩定性能等方面考慮，選擇含堿量低的水泥和潔凈、耐久、堅固的骨料，減少硅酸水泥的使用量，并且適當在水泥中摻加一些礦物料，提高混凝土材料的強度和剛度。

結束語：

高層建筑混凝土結構設計要綜合考慮多方面因素，如地震力和高層建筑風等側向力的影響，地基荷載和自重的影響，確保高層建筑混凝土結構應具有足夠的剛度和強度，從整體上優化高層建筑混凝土結構設計，結合主要體系和總體系之間存在的受力標準，找到最優的高層建筑混凝土結構設計方案，滿足高層建筑的安全性、穩定性和耐久性要求。

參考文獻：

[1]蘇永平. 高層建筑中混凝土結構的優化設計研究[J]. 山西建筑，2013，09：24-26.

[2]陳陽顯. 淺析高層建筑中混凝土結構的優化設計[J]. 價值工程，2010，27：82.

[3]邵永玻. 高層建筑混凝土結構優化設計的探討[J]. 門窗，2012，07：151+160.

[4]王廣輝. 淺析高層建筑中混凝土結構的優化設計[J]. 科技風，2011，07：148.