高層混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法探究

王晨

（山東華邦建設(shè)集團(tuán)有限公司，山東 濰坊 262500）

近年來，進(jìn)行高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計時，由于缺乏先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)手段，導(dǎo)致計算、測量參數(shù)缺乏較高精準(zhǔn)度，再加上施工過程中沒有注意細(xì)節(jié)問題，或者施工存在失誤問題，致使高層建筑在投入使用后存在很大的安全隱患。通過優(yōu)化設(shè)計混凝土結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格按照設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計工作，能夠消除傳統(tǒng)設(shè)計中的不足，提高混凝土結(jié)構(gòu)的合理性和安全性，為高層建筑結(jié)構(gòu)的安全性能提供有效保障。因此，進(jìn)行高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要遵循安全性、適用性、可靠性設(shè)計原則，優(yōu)化設(shè)計地基基礎(chǔ)、建筑平面結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、薄弱層結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格控制混凝土的配合比，提高混凝土結(jié)構(gòu)的密實度和強(qiáng)度，全面提升高層建筑的整體建設(shè)質(zhì)量，延長高層建筑的使用年限。

1 高層混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計原則

1.1 安全性

跟一般的建筑物相比，高層建筑物的建設(shè)高度較高，人口居住密度大，如果高層建筑物混凝土結(jié)構(gòu)缺乏良好的穩(wěn)定性，一旦發(fā)生自然災(zāi)害，就會帶來嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，危害程度較高，所帶來的社會影響也更加深遠(yuǎn)。因此，在進(jìn)行高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計時，首要遵循的設(shè)計原則就是安全性，安全第一。以《混凝土結(jié)構(gòu)安全健康標(biāo)準(zhǔn)》作為設(shè)計指導(dǎo)，設(shè)計過程中應(yīng)重視結(jié)構(gòu)性能，要提高整體混凝土結(jié)構(gòu)抵御外部風(fēng)險因素的能力，包括建筑抗震性、抗風(fēng)性、抗水淹等，降低各種自然災(zāi)害對建筑物的毀滅性破壞，這樣才能提高建筑安全系數(shù)，為人們的生命安全與財產(chǎn)安全提供強(qiáng)有力保障[1]。

1.2 適用性

進(jìn)行高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計時，不僅要考慮安全性，還需要考慮整體結(jié)構(gòu)的適用性。設(shè)計人員需要了解掌握建筑物的使用功能，對高層建筑內(nèi)部空間進(jìn)行合理分析和優(yōu)化設(shè)計，提高結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)計的科學(xué)性和合理性，確保建筑物的適用性，這樣能夠讓高層建筑的優(yōu)勢充分發(fā)揮出來，滿足人們的使用需求。

1.3 可靠性

進(jìn)行高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計時，還需要考慮到施工材料、施工工藝等因素，這些因素會對混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性產(chǎn)生一定的影響。為了提高設(shè)計質(zhì)量和效果，需要嚴(yán)格檢查施工材料質(zhì)量，嚴(yán)格規(guī)范施工工藝和施工技術(shù)，這樣才能確保施工流程高效有序進(jìn)行，確保混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量符合設(shè)計要求，延長高層建筑結(jié)構(gòu)的使用年限，提高建筑整體結(jié)構(gòu)的可靠性。

2 高層混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計存在的問題

2.1 地基基礎(chǔ)設(shè)計問題

地基基礎(chǔ)設(shè)計也是混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要組成部分，只有合理設(shè)計地基基礎(chǔ)，才能為建筑物提供良好的支撐作用，提升高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量。就目前高層混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計來看，很多設(shè)計人員沒有重視地基基礎(chǔ)設(shè)計部分，基礎(chǔ)設(shè)計缺乏安全性和經(jīng)濟(jì)性，最終影響了高層建筑的使用質(zhì)量。比如，在柱下獨(dú)立基礎(chǔ)帶梁板式的地下室底板設(shè)計中，很多設(shè)計人員都忽略了地基的沉降風(fēng)險問題，沒有將沉降變形帶來的附加應(yīng)力納入考慮范疇，最終導(dǎo)致底板處于不安全狀態(tài)下，地下室底板缺乏良好的承載能力，在外力作用下很容易出現(xiàn)開裂情況[2]。

2.2 建筑結(jié)構(gòu)選型設(shè)計問題

新的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范對結(jié)構(gòu)的可靠度、設(shè)計計算等內(nèi)容進(jìn)行了更新和補(bǔ)充，尤其是對結(jié)構(gòu)規(guī)則性增加了很多限制，對抗震及結(jié)構(gòu)的整體性提出了更高的要求，同時也深化了建筑設(shè)計中的超高問題。比如，新的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范明文規(guī)定，建筑物的建筑設(shè)計方案不能采用嚴(yán)重不規(guī)則的建筑平面結(jié)構(gòu)。因此，在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計時，設(shè)計人員需要嚴(yán)格按照建筑設(shè)計規(guī)范開展設(shè)計工作，合理設(shè)計建筑平面結(jié)構(gòu)，盡可能選擇簡單、規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)。如果設(shè)計方案中存在不符合設(shè)計規(guī)范的情況，設(shè)計人員需要根據(jù)實際條件進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，避免設(shè)計工作中存在隱患[3]。

2.3 抗震設(shè)計問題

近年來，很多地區(qū)頻繁發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，最為常見的就是地震，一旦出現(xiàn)地震災(zāi)害就會發(fā)生建筑物倒塌事故，帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，鑒于此，人們開始對建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能投以高度關(guān)注的目光，這就要求在高層混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中，注重抗震設(shè)計。影響高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能的因素有很多，鋼筋的使用數(shù)量、鋼筋分布情況、結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接的穩(wěn)定性等都會對其產(chǎn)生影響，一旦設(shè)計人員沒有對這些進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，那么混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能就無法得到強(qiáng)有力保障。此外，高層建筑的平面結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)以及薄弱層結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計效果也會影響建筑物的抗震性能，此部分內(nèi)容也需設(shè)計人員重點(diǎn)關(guān)注。

2.4 混凝土結(jié)構(gòu)裂縫問題

在高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中，混凝土裂縫問題普遍存在，混凝土裂縫類型分為溫度裂縫、膨脹裂縫、收縮裂縫、結(jié)構(gòu)裂縫等。進(jìn)行高層建筑施工時，經(jīng)常會在施工現(xiàn)場現(xiàn)澆制作鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件，構(gòu)件不同，它們的剛度也存在很大的差別，這就導(dǎo)致整體鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中部分區(qū)域的剛度無法達(dá)到規(guī)定要求，在后續(xù)施工中或者投入使用后這些薄弱區(qū)域就會逐漸產(chǎn)生裂縫，如果不采取有效的措施進(jìn)行處理，裂縫會逐漸蔓延擴(kuò)大。而溫度裂縫經(jīng)常出現(xiàn)在大體積混凝土結(jié)構(gòu)中以及溫差較大的區(qū)域，這是因為混凝土結(jié)構(gòu)表面散熱比較快，而混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部由于發(fā)生水化反應(yīng)導(dǎo)致內(nèi)部熱量不容易散發(fā)出去，混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差就比較大，混凝土表面就會產(chǎn)生一定的應(yīng)力，一旦應(yīng)力高于混凝土的最大抗拉強(qiáng)度，裂縫就產(chǎn)生了[4]。

2.5 混凝土材料配比不合理

作為高層建筑施工中的重要建筑材料，混凝土的屬性并不是單一的，而是多樣性的，混凝土的原材料有水泥、石頭、砂子、添加劑、水等，將這些原材料拌和在一起最終凝結(jié)形成混凝土材料。在施工過程中，由于高層建筑的建設(shè)要求不一樣，對混凝土的強(qiáng)度和耐久性標(biāo)準(zhǔn)也存在很大差異，這就要求進(jìn)行混凝土材料拌和時，需要提前進(jìn)行試驗，嚴(yán)格按照試驗比例進(jìn)行配比，這樣才能確保混凝土質(zhì)量達(dá)到規(guī)定要求。就實際情況來看，還是存在混凝土材料配比不合理的情況，大大降低了混凝土的標(biāo)號等級，這樣在混凝土結(jié)構(gòu)施工環(huán)節(jié)，混凝土表面很容易出現(xiàn)氣泡、凹坑、蜂窩麻面等缺陷，嚴(yán)重影響了混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量，降低了高層建筑的穩(wěn)定性和安全性。比如，制作混凝土?xí)r，如果砂石材料的投入比例超出了規(guī)定配比，那么在攪拌過程中由于骨料過度集中導(dǎo)致拌和物出現(xiàn)分崩離析狀態(tài)，嚴(yán)重情況下混凝土材料會發(fā)生硬化，使得混凝土的牢固性大大降低。

3 高層混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方法

3.1 強(qiáng)化地基基礎(chǔ)設(shè)計

地基基礎(chǔ)設(shè)計在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中占據(jù)著重要地位，地基基礎(chǔ)承載著整體的建筑物結(jié)構(gòu)，良好穩(wěn)定的地基有助于高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量的提升。因此，在進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計時，需要注重地基與基礎(chǔ)設(shè)計，根據(jù)建筑施工的相關(guān)要求選擇合適的基礎(chǔ)類型，制定多種基礎(chǔ)設(shè)計方案，對比分析各方案的經(jīng)濟(jì)性和安全性，從中選取出最佳方案，以此降低造價成本，提高建筑物的穩(wěn)定性、抗震性和安全性。設(shè)計前需要實地考察施工現(xiàn)場，掌握了解建筑的地理位置、地質(zhì)條件、水文條件、周圍的環(huán)境因素等，在此基礎(chǔ)上綜合分析，制定合適的建筑方案。如果建筑的地理位置優(yōu)越，地質(zhì)條件不復(fù)雜，建筑的建設(shè)高度不是很高，就需要選擇一些簡單方便的淺性基礎(chǔ)，比如獨(dú)立基礎(chǔ)或者條形基礎(chǔ)。如果建筑的地理位置條件復(fù)雜程度高，建設(shè)高度很高，地基基礎(chǔ)需要承擔(dān)較大的負(fù)荷，就可以選擇樁基礎(chǔ)，通過樁基礎(chǔ)將建筑物整體的荷載傳遞到土質(zhì)穩(wěn)定良好的土層上，有效避免建筑物的沉降問題。如果建筑物水文地質(zhì)條件好，而且要求的層數(shù)高，筏板基礎(chǔ)是較為合適的選擇，筏板基礎(chǔ)不僅能夠提高下部持力層，還能使高層混凝土結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)面積得到明顯提升，這樣能夠使土層單位面積的受力值大大降低，確保地基基礎(chǔ)具有良好的穩(wěn)定性，對建筑物的不均勻沉降進(jìn)行合理控制。

3.2 合理設(shè)計建筑平面結(jié)構(gòu)

只有具備良好的抗震性能，高層建筑才能抵御地震災(zāi)害的侵襲，而高層建筑的平面結(jié)構(gòu)布局是影響建筑物抗震性能的主要因素。因此，需要重點(diǎn)關(guān)注建筑平面結(jié)構(gòu)設(shè)計。在進(jìn)行建筑平面結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要嚴(yán)格遵循高層建筑抗震設(shè)計原則，掌握了解混凝土結(jié)構(gòu)材料對建筑抗震性能的影響，參考建筑物的建設(shè)高度，確定好建筑物所要達(dá)到的抗震等級。通常情況下，如果建筑平面結(jié)構(gòu)具備簡單、規(guī)則、對稱特點(diǎn)，那么它不僅符合抗震規(guī)定要求，顯著提高了整體的抗震能力，還能使地震釋放的能量盡快消耗掉，大大降低地震延伸所帶來的破壞力。如果建筑平面結(jié)構(gòu)屬于多塔結(jié)構(gòu)、頂塔結(jié)構(gòu)，就需要對它們的振型數(shù)進(jìn)行合理掌握，將其大小控制在合理范圍內(nèi)，認(rèn)真核算設(shè)計數(shù)據(jù)，根據(jù)抗震設(shè)計理念和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范設(shè)計要求，在確保建筑物建設(shè)要求得到滿足的前提條件下，對建筑平面結(jié)構(gòu)的設(shè)計內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化完善，確保高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的抗震性能[5]。

3.3 優(yōu)化設(shè)計高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)

進(jìn)行高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計工作時，需要根據(jù)相關(guān)建筑結(jié)構(gòu)，認(rèn)真考慮剛度角和延性角2 個問題。為了優(yōu)化設(shè)計相關(guān)結(jié)構(gòu)的延性水平，需要保證結(jié)構(gòu)的承載力保持不變，再根據(jù)建筑主體結(jié)構(gòu)的抗變形效果對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計；為了優(yōu)化設(shè)計相關(guān)結(jié)構(gòu)的剛度水平，設(shè)計人員需要根據(jù)建筑物主體結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移和自身的自振周期對相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)定。設(shè)計人員需要深入研究剪力墻的構(gòu)件結(jié)構(gòu)，對構(gòu)件結(jié)構(gòu)的延性、剛度、極限承載力進(jìn)行合理分析，在此基礎(chǔ)上采取有效的措施提高剪力墻構(gòu)件結(jié)構(gòu)的支撐強(qiáng)度和穩(wěn)定性。同時，在進(jìn)行相關(guān)剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計時，需要同步進(jìn)行減震隔離設(shè)計工作，確保兩者工作的步調(diào)協(xié)調(diào)一致。通過優(yōu)化設(shè)計高層建筑剪力墻結(jié)構(gòu)，確保高層建筑支座間的彈塑性位移角持續(xù)保持在合理范圍內(nèi)，而且通過提高彈性層間位移角限值，能夠讓鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)得到進(jìn)一步優(yōu)化，顯著提升混凝土結(jié)構(gòu)的剛度參數(shù)和延伸特性參數(shù)。

3.4 提高對薄弱層結(jié)構(gòu)設(shè)計的重視度

在高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中，需要高度重視薄弱層結(jié)構(gòu)的設(shè)計工作。在地震等自然災(zāi)害影響下，高層建筑的薄弱層會出現(xiàn)下沉、變形情況，從而嚴(yán)重破壞了建筑內(nèi)部的混凝土結(jié)構(gòu)，降低了混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性，帶來了安全隱患。因此，設(shè)計人員需要優(yōu)化設(shè)計建筑中的薄弱層，確保高層建筑具有良好的安全性能。如果高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的豎向結(jié)構(gòu)剛度無法保持連續(xù)性，再加上建筑物沒有按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求的樓層剛度進(jìn)行施工作業(yè)，那么就會很容易出現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)薄弱層，建筑物的安全隱患也會大大增加。這種情況下，設(shè)計人員進(jìn)行薄弱層結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計時，就需要通過對薄弱樓層的安全標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，確保薄弱層的設(shè)計能夠符合設(shè)計規(guī)范和安全標(biāo)準(zhǔn)要求。如果制定的安全標(biāo)準(zhǔn)缺乏合理性，那么薄弱樓層的施工質(zhì)量必將達(dá)不到相關(guān)規(guī)定要求。此外，進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計時，還需要加強(qiáng)對薄弱層周邊區(qū)域和周邊構(gòu)架的設(shè)計，這樣能夠提高高層建筑薄弱層的設(shè)計效果，讓建筑物整體具備較強(qiáng)的抗震性能，確保建筑物的使用安全。

3.5 做好轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計工作

高層建筑底部各層的建造不僅要滿足建筑空間的各項建設(shè)要求，還需要在建筑中的相應(yīng)位置設(shè)置一定的轉(zhuǎn)換層，確保上下結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換具有良好的過渡性。因此，在進(jìn)行高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計時，需要做好轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的設(shè)計工作，不僅要保證轉(zhuǎn)換層上下垂直方向的結(jié)構(gòu)設(shè)計符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，還需要對轉(zhuǎn)換層的上部和下部結(jié)構(gòu)的剛度比進(jìn)行嚴(yán)格控制，這樣在剪力墻建造施工比例合理控制的前提條件下，能夠顯著降低上下混凝土結(jié)構(gòu)剛度突然變化帶來的影響力。如果轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計存在不足，就會導(dǎo)致建筑物的整體結(jié)構(gòu)存在缺陷，這個缺陷的位置就會成為地震侵襲的突破口，安全隱患很大。同時，還需要對高層建筑轉(zhuǎn)換層以上豎向構(gòu)件的數(shù)量進(jìn)行嚴(yán)格控制，從而使轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)剛度的差異性大大降低，這樣即便混凝土結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換層發(fā)生了剛度轉(zhuǎn)變，也不會對建筑物整體的安全性能帶來太大的影響。此外，高層建筑轉(zhuǎn)換層的混凝土澆筑面積很大，對混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出了很高的要求，施工過程中需要格外注意混凝土溫度裂縫問題。相關(guān)人員需要合理調(diào)整振搗點(diǎn)及振搗范圍，不僅要避免振搗棒碰撞鋼筋，還需要保證混凝土內(nèi)部振搗的均勻性。

3.6 嚴(yán)格控制混凝土的配合比例

混凝土作為高層建筑施工中不可或缺的材料，它的參數(shù)和性能會對高層建筑的施工質(zhì)量和使用年限產(chǎn)生直接影響。因此，在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計時，需要優(yōu)化設(shè)計混凝土配合比。為了提高混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，相關(guān)人員需要提前做好混凝土試驗工作，混凝土配合比設(shè)計內(nèi)容包含用水量、水泥用量、砂石總用量等。選擇水泥時優(yōu)先選擇普通硅酸鹽水泥，此種水泥的水化熱反應(yīng)適中，可避免因混凝土內(nèi)外部溫差過大而影響混凝土性能，然后再根據(jù)相關(guān)規(guī)定要求準(zhǔn)備其他試驗原料，同時需要對各種砂石骨料的含水量和大小進(jìn)行準(zhǔn)確檢測，最后再運(yùn)用專業(yè)的計算方式，獲得科學(xué)有效的混凝土配合比。當(dāng)然配合比并不是固定不變的，相關(guān)人員還需要結(jié)合施工的建設(shè)要求和施工現(xiàn)場的實際情況，適當(dāng)調(diào)整各原材料的添加比例，這樣才能提升混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐久性[6]。

進(jìn)行混凝土拌和時，施工人員需要嚴(yán)格按照原材料的添加順序進(jìn)行添加，確保均勻混合混凝土材料，混凝土攪拌時間可以有效參考攪拌設(shè)備的容積和混凝土的性能表現(xiàn)，這樣拌和出來的混凝土強(qiáng)度才能滿足施工要求。還需要著重關(guān)注混凝土的水化熱控制方式，將材料膨脹劑適量添加在混凝土原材料中，合理控制混凝土內(nèi)外溫差。在混凝土施工過程中，如果施工環(huán)境的溫度比較低，就需要采取有效的保溫措施避免混凝土出現(xiàn)結(jié)冰或者凍害現(xiàn)象。在高層建筑施工中，經(jīng)常會大量地澆筑混凝土，施工人員需要對混凝土的水灰比和坍落度進(jìn)行嚴(yán)格把控，保證混凝土的密實度和強(qiáng)度，減少混凝土裂縫問題的產(chǎn)生。

4 結(jié)語

綜上所述，優(yōu)化設(shè)計高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)具有至關(guān)重要的作用，能夠提高混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性，為高層建筑施工奠定堅實的基礎(chǔ)。因此，在高層建筑施工中，需要提高混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的重視度，優(yōu)化設(shè)計高層建筑的各個單元結(jié)構(gòu)，提高各結(jié)構(gòu)的建設(shè)質(zhì)量，確保混凝土結(jié)構(gòu)符合施工要求，提高高層建筑的使用質(zhì)量和使用安全性，有效保障人們的生命安全和財產(chǎn)安全。