淺議高層建筑混凝土結構方案設計與優化

張 瑾

(中核新能核工業工程有限責任公司，山西 太原 030012)

從古至今，建筑就是人類文明的象征和人類進步的標志。現階段，隨著經濟的快速發展及城市化進程的加快，為了合理利用有限的土地這種不可再生資源，我國建筑正在發生著巨大的改變，主要表現為形態向高層發展，可以說，發展高層建筑已成為建筑業發展的一種必然趨勢。但是，隨著建筑高度的增加，以及建筑內部空間的擴大，結構設計的安全性及穩定性越來越凸顯，越來越引起人們廣泛關注和重視。而鋼筋混凝土結構作為我國傳統的結構形式，因其具有造價低、耐久性好、結構造型靈活、整體性好等優點，而被廣泛應用于各種工程結構中。因此，對于高層建筑混凝土結構的優化設計進行研究非常重要。

1 現階段高層建筑混凝土結構的優缺點

目前，世界各國尚無統一劃分多、高層建筑的標準和界限。世界高層建筑委員會曾將高層建筑劃分為4類，分別為1類、2類、3類和4類[1]，其中，1類高層建筑層數9～16，高度小于50 m；2類高層建筑層數為17～25，高度小于75 m；3類高層建筑層數26～40，高度小于100 m；4類高層建筑層數大于40，高度大于100 m。在我國，JGJ 3—2002鋼筋混凝土高層建筑結構設計與施工規程規定，起始層數N≥10，或者起始高度H>28 m的建筑為高層建筑。

高層建筑的發展絕非一種偶然，它在種種矛盾之中找到了一個新的契合點，解答了當代中國城市化發展的問題。高層建筑有如下優點：1)節約用地。基于我國人口眾多、土地稀缺的基本國情，高層建筑大大提高了建筑容積率，節約了建筑用地，從根本上解決了城市土地稀缺的問題。2)提高生活品質。我國社會正在進入老齡化，高層建筑中的電梯可給老年人上下樓等帶來極大方便，使老年人晚年生活質量得到了大幅度的提高。3)營造良好的生存環境。高層建筑的建筑密度縮小，得房率提高，開發商可以空出更多土地提高小區的綠化率，使得自然景觀與人工景觀完美融合、互相呼應、更加協調，大幅度的改善小區的生態環境水平。然而，高層建筑也有其缺點，如整體造價高，施工難度較大，存在安全性問題等。且高層建筑的結構設計必須做到科學、合理，否則將產生較大的人身財產損失。

對于高層建筑混凝土結構而言，其具有維護費用低，結構造型靈活，整體性能好等優點。但是，高層建筑混凝土結構也存在結構自重大，構件占據面積大，延性能差，抗裂性能差，修復困難，施工速度慢等缺點。下面本文將主要對高層建筑混凝土結構方案設計與優化的相關問題進行探討。

2 高層建筑混凝土結構設計中可能存在的主要問題

2.1 結構選型問題

隨著高層建筑迅速地發展，層數越來越多，體型越來越復雜，新結構體系不斷出現，主要表現為結構體系巨型化、自重輕型化，柱網、開間擴大化，以及高層建筑結構體系中設置轉換層、加強層等[2]。其中，輕型化表明結構體系越來越重視采用輕質高強材料以減輕自重；轉換層的設置是實現集辦公、商貿、娛樂為一體的高層綜合體的必然要求；加強層的設置可以使外柱參與整體抗彎，使結構整體抗側能力增強。但是，新的結構體系缺乏成熟的規范依據，因此，面對這些新變化，設計者需在做選型分析時充分試驗與論證，否則將做出錯誤的選型決策。

而高層建筑混凝土結構存在結構自重大等缺陷，對于選型高層建筑混凝土結構，需要注意以下幾個問題：

1)需要明確實際的設計規則問題，準確的分析實際新舊規范標準；2)需要根據實際的設計規范標準，明確實際抗震規范標準范圍；3)對于不符合實際規范標準的設計方案不可以采用；4)對于高層建筑的高度變動問題，需要控制實際的結構標準高度；5)對于新規范中可能發生的強制性規定進行分析，盡可能的避免規范變動導致的施工階段被動問題。

2.2 結構設計問題

在高層混凝土結構設計中，設計難度系數比較高，且存在建筑結構理論計算結果與實際情況存在差異的情況，因此，結構工程師在設計高層混凝土結構時，應當注意以下幾個方面的問題：

1)地基和基礎設計期間存在的問題。高層建筑混凝土結構在地下室底板設計期間，建筑物易受到地下室底板上部結構作用力的影響而下沉，如果是天然地基，那么將會出現更大的影響。因此，高層混凝土結構設計期間，需全面考慮對建筑物附加的預應力，也可采取相應的措施進行處理，如采用在地下室底板與持力層之間應用褥墊的方式，做好相應的配筋設計工作等。

2)上部結構設計中存在問題。高層混凝土上部結構設計中，最主要、最重要的是對剪力墻的設計。而高層建筑的剪力墻分布在很多結構設計中，均勻、對稱和強邊角的設計原則使建筑物有很大的空間，但這樣的結構一旦發生改變，也必然會損害與其相關聯的結構[3]。因此，為了避免此類情況的發生，設計者可以對剪力墻增加底部強化部分，設計約束邊緣的結構，此外，還應對剪力墻出現的個數以及安放的位置加以嚴格控制。

3 高層建筑混凝土結構方案的設計要點及優化建議

3.1 高層建筑混凝土結構方案的設計要點

高層建筑的生命周期中需要承受水平和豎向雙向荷載，而混凝土結構設計對高層建筑物的質量以及功能具有重要的影響，為此，我們要強化并重視高層建筑混凝土結構設計過程中容易出現差誤的重點內容，以確保高層建筑的安全性。具體如下：

1)選用最優的結構形式。高層建筑混凝土結構在進行方案設計時，要根據實際情況合理的選擇最適合的結構形式。目前，其常用結構主要包括框架、框剪、剪力墻和筒體結構等，而這些結構根據其自身的特點都有最為適用的情況，如框架結構一般主要適用于高度低于60 m，框剪結構一般主要適用于商品房或者高度低于120 m的建筑設計中，筒體結構尤其適用于超高層(大于150 m)或者摩天大樓中等。

2)注意結構的整體布局和造型。這要求設計人員在滿足結構適用性、安全性和美觀性的基礎上，充分運用自己的建筑設計專業知識，盡可能地優化建筑結構的平面布置和豎向布置工作，避免建筑局部因突變或者削弱而形成薄弱部位，進而確保整體建筑結構的規則性、均勻性和簡單性。

3)優化構件截面。要求在綜合結構安全性和經濟性的基礎之上，要盡量選用成本性價比較強的構件截面，不能為了節省成本而選擇過小的建筑構件截面，進而導致結構設計安全風險的增大。

4)設置合理的沉降縫和轉換層等。相鄰高層建筑物之間高度差異過大會引發地基承載變形問題，在此種情況下設計人員應根據具體情況設置沉降縫。設計人員應根據具體情況，在框剪結構中上部框架結構和下層剪力墻的交接部位設置轉換層，同時采用其他加固措施，防范承載力突然改變的問題，以確保整體建筑的質量。

3.2 高層建筑混凝土結構方案的優化建議

在對高層鋼筋混凝土結構進行設計時，為了有效改善結構的受力性能，提高結構穩定性及安全性，可進行如下優化措施：

1)選用高強度施工材料。混凝土、鋼筋等施工原材料的質量直接影響著高層建筑工程的整體質量及成本，如果可以合理運用一些高強度施工材料，不僅有利于優化建筑構件，減輕建筑結構的整體重量，還可以有效地縮減構件的尺寸，降低材料用量及施工成本。另外，在地震高發區的高層建筑中合理運用高強混凝土和高強鋼筋等材料，還可達到提高設計有效性及安全性的目的。

2)增加抗彎結構體系的有效寬度。據相關科學估算，在其他條件不變的前提下，側移將按寬度增加的三次方的比例減小。因此，增加寬度可以直接增大抵抗力臂，從而減小抗傾覆力。設計人員可通過增加抗彎結構體系的有效寬度，而提供整個結構的抗側剛度。

3)優化建筑結構平面。建筑結構平面的質量直接關乎高層建筑的整體性能。一般而言，保持建筑結構平面形狀的規則性、簡單性和對稱性，不僅相應的各種指標校核和檢驗也會比較簡單，而且還可以使得建筑結構所承受的承載力和剛度等荷載平均分布，從而更好的發揮建筑結構的各項功能。同時，結構設計人員需要充分注重概念設計，盡量少設置施工縫，避免建筑局部地區存在突變的問題。

4)選擇合理的倒塌機制。當高層建筑結構出現一定的塑性鉸后，整個結構會變為機構，而機構不可以穩定地承受外荷載作用，其會喪失承載能力，以至于出現可持續變形甚至倒塌。為此，設計者應根據具體結構類型合理安排、設置塑性鉸等倒塌機制，確保結構承載能力基本保持穩定，可以持續變形而不至于倒塌。

4 結語

高層建筑是社會發展所必然出現的產物，而在高層建筑質量方面，混凝土結構設計非常重要。為此，在高層建筑混凝土結構設計過程中，設計人員需遵照結構概念設計的原則，配合建筑專業及其他相關專業的理論知識和相關實際建筑經驗，運用多種方法，確保相應混凝土結構的延性、剛度和強度等性能，從而不斷的提升高層建筑的穩定性與安全性。