關于高層建筑混凝土結構優化設計的探討

郭彬彬 劉凱 蔣炳禮

摘 要：本文主要是結合筆者工作經驗闡述了結構優化措施，以促進高層建筑混凝土結構設計的優化完善。

關鍵詞：高層建筑；混凝土結構；優化設計；安全

1 高層建筑混凝土結構的設計方法

1.1 健全單元結構的布局設計

獨立的結構單元設計，指的是高層建筑當中的關鍵結構設計內容，這種結構設計工作一般都適合選取規則、簡潔的平面形式。然而，平面的突出部分的長度和整體長度應管控在適當的范疇當中，并且有呈現出均衡分布的剛度、承載力。與此同時，豎向結構宜選用規則、均勻的形式，從而確保建筑的內收、外挑問題能得到有效的管理與控制。

為此，設計人員應在制作結構設計方案階段就以概念設計知識及其理念作參照，基于滿足建筑的美觀度及適用性之上開展優化設計工作，從而促使它的豎向布局與平面布局能均勻、簡單、具有規則性，確保其承載力與結構剛度分布合理，進而防止建筑獨立結構單位產生太集中的應力或者塑性變形，所以掌握好建筑平面及豎向布置的連續性、均勻性、規則性，控制建筑物的長寬比、高寬比、局部外伸尺寸等指標盡可能滿足《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ3- 2010）的相關要求，是結構優化設計之根本。

1.2 優化高強的混凝土與鋼筋使用

由于高層建筑建設得消耗大量鋼、混凝土等材料，因此如果鋼與混凝土的強度太大，會直接導致建筑材料造價超過限定范圍，與此同時還會提高其他構件的造價，促使建筑建設的經濟效益降低。

就以軟土地基之上的高層建筑設計作為實例，這類結構地基由于承受了高荷載，因此為合理優化好建筑當中每一構件的截面尺寸，設計人員應當對高強度的鋼筋與混凝土的使用進行優化，減小建筑結構的重量，從而大大減小建筑中所有構件的界面尺寸，減少工程地基處理工作的造價。

1.3 科學合理地設計剪力墻平面結構

（1）高層剪力墻結構的布置都應盡可能遵循簡潔、規則的原則，保證結構的質心與剛心接近，尤其是剪力墻的方案布置、墻肢的長短等均應合理。在剪力墻布置方案上必須要堅持對稱、均勻、周邊、分散的原則，且墻片不宜過長，剪力墻盡可能避免短肢和“一”字型抗震墻，組成“L”“T”字型，均勻布置在平面上，形成較大的筒體，同時盡可能削弱核心筒墻體剛度，加強周邊墻體布置，組合成合理的形狀，達到整體剛度均勻， 同時墻體布置應注意墻體剛度重心與平面質量重心相接近。 （2）墻布置的優劣直接關系到整個結構的經濟指標。應盡量減少剪力墻數量，且各墻肢布置時應考慮如何減少邊緣構件，以期通過布置較少的抗側力構件獲得滿足規范要求的抗側、抗扭剛度。如小高層剪力墻結構，由于建筑結構高寬比小，剛度大，抗震墻布置盡可能兩三間布置一道，用跨高比較大的連梁聯系在一起組成剛度較弱的聯肢梁，從而降低總體剛度、加大層間位移，達到優化設計的目的。

1.4 優化設計女兒墻

在設計屋面高大的女兒墻的過程中，因為很難直接地加入到高層建筑主體結構的探索隊伍中去，所以一定要開展周密、嚴格的計算工作，從而求算出精確的女兒墻的自重。假使女兒墻不高但也能達標，那么其給建筑結構安全帶來的影響會比較小。假使女兒墻的高度在上升過程當中會出現較為明顯的風荷載效應及地震荷載效應，那么其也許會給建筑結構的安全性造成一定的影響。事實上，當女兒墻高度值較大時，務必要選取專業的軟件以及科學合理的手段把其承受的水平荷載求算出來，而針對配筋的求算則需參考支承于屋頂的懸臂板，并使用雙層鋼筋。

1.5 混凝土結構的干縮變形控制

在國家制定的有關高層建筑結構設計標準當中層明確規定：建筑室內現澆框架結構的伸縮縫間距一定要不超過55mm，但是現澆剪力墻結構的伸縮縫間距則與之不同，其得不超過45mm。事實上，在室外要嚴控混凝土結構的伸縮縫，并遵循以下幾大設計要求：（1）結構控制：采用合理、科學布局混凝土后澆帶的設計方案以有效處理好高層建筑混凝土結構的干縮變形問題。換言之，就是把大樓板面積等額分成幾個小區格，并依據一定秩序校準小區格的混凝土，等到其干縮變形徹底完畢后，再校準區格之間的預留區域內的混凝土，從而順利地處理好混凝土結構的干縮變形問題；（2）干縮裂縫：在現澆混凝土的凝固硬化時往往會衍生出一定的收縮應力，而建筑結構當中會產生不規則的或者規則的干縮裂縫。一般而言，建筑結構形式的長度值與干縮裂縫之間的關系成正比，形式愈長，干縮裂縫愈大。

2 高層建筑混凝土結構的優化設計措施

2.1 結構安全性

（1）設計人員應當在保證建筑各項功能的同時，通過考慮結構自身的抗震性能及外部人為因素可能造成的結構破壞，有目的地將高層建筑的抗震等級提升。同時，還要從整體上，加強結構設計的穩定性與牢固度，避免將磚砌體承重或者裝配式的混凝土結構應用于高層的公用屬性較高的建筑中，而要優先選取現澆的鋼筋混凝土的結構。

（2）設計人員要從建筑建設過程中及投入應用后的各個方面人手，綜合考慮其荷載變化的狀況，盡可能地將建筑結構的荷載標準值與構件承載力設置出較大的彈性裕度，并且為樓面等部位進行額外的增加荷載的設計，以保證建筑在各級的地震與火災等災害中，都可以實現對于自身結構安全的維護。

2.2 耐久性

（1）選擇良好的混凝土材料。設計人員應當在保證混凝土材料的質量與基本性能的基礎上，重點從結構的穩定性能、抗侵入性能、抗裂性能等幾個方面人手，選擇堅固、耐久、潔凈的骨料，含堿量與水化熱反應較低的水泥，減少對于硅酸鹽水泥與用水量的應用，并適當地將礦物摻合料加入到材料中。 （2）優化結構使用設計工作。高層建筑中的混凝土結構物普遍包括多個構件，每一個構件所處的環境存在顯著的差別，這就決定了不同構件具備的耐久性壽命存在差異，因此，設計人員要根據實際的使用環境，明確建筑中不同結構構件的使用界限與注意事項。

2.3 抗震性

在結構體系設計方面，要盡可能地選擇空間結構以及平面布局簡單規則的形式，作為建筑的整體結構形式。同時，設計人員還要通過進行合理的布局，使建筑的質量與剛度實現均勻平衡的分布。

而在平立面設計方面，設計人員可以將墻體設置為均勻對稱的形式，并提升樓梯或電梯的井筒等具備較高剛度的結構布置的集中性，同時，將抗震墻設計為符合建筑結構整體抗震需求的形式，以提升建筑平面結構的抗震性能。

2.4 經濟性

（1）剪力墻結構剛度大，整體性好，用鋼量較省。在高層住宅中，開間均較小，分隔墻較多，采用現澆剪力墻，可將承重墻減少，比較經濟。另外，剪力墻外觀整齊，沒有露梁、露柱現象，便于室內布置，因此在高層住宅中常采用現澆剪力墻結構。 （2）剪力墻結構設計中應注意的問題。剪力墻布置的數量與建筑物層數和抗震設防烈度成正比，層數越高、抗震設防烈度越高，剪力墻布置數量就越多，但不是剪力墻數量越多越好。剪力墻的布置數量及其組合形式與結構總體剛度關系密切。如剪力墻結構墻體越多，建筑物的重量越大，地震反應也大，會造成浪費；另外，剪力墻結構墻體多為構造配筋，如果配筋太低，則結構延性差。

3 結語

總而言之，高層建筑混凝土結構的優化設計不是以降低結構安全為代價，盲目減小截面及配筋去追求經濟指標，而是結構師根據工程特點，立足于具體的設計原則及要求，通過概念設計及一系列合理的技術措施，使得建筑安全可靠，技術合理、經濟指標優良。優化設計應成為每一位結構師的習慣和追求。