高层建筑中混凝土结构的优化设计

闫一江 杜盛舟

【摘要】随着现代化城市进程的加快，各个地区的高层建筑工程项目越来越多，由于高层建筑的楼层多、施工面积大，对于建筑结构的安全性和稳定性要求更高。高层建筑中混凝土结构有多种不同的类型，不同的混凝土结构，适用环境和特点是不同，因此应结合高层建筑的实际施工要求，根据当地的气候条件和环境情况，采用合适类型的混凝土结构，并且做好高层建筑中混凝土结构的优化设计，提高混凝土结构的安全性和稳定性，保障高层建筑施工质量，推动高层建筑快速发展。本文简要介绍了高层建筑中混凝土结构的设计要求，分析了高

层建筑混凝土结构类型，阐述了高层建筑中混凝土结构的优化设计策略。

【关键词】高层建筑；混凝土结构；优化设计

近年来，我国高层建筑项目蓬勃发展，积累了大量的高层建筑施工管理、施工技术和施工工艺等方面的经验，但是和国外一些发达国家相比，我国高层建筑中混凝土结构设计还存在很多不足，一方面混凝土结构设计不合理，影响高层建筑的空间使用功能；另一方面，混凝土结构设计不稳定性。因此针对高层建筑混凝土结构设计的现实问题，要根据高层建筑混凝土结构设计要求，分析不同类型混凝土结构的特点，做好混凝土结构优化设计，为人们提供一个舒适、健康、安全的生活环境。

一、高层建筑中混凝土结构的设计要求

1、可靠性

高层建筑混凝土设计的可靠性是指在高层建筑使用年限和混凝土结构设计基准期范围内，混凝土结构应充分达到动力性能、刚度、稳定性、安全性、耐久性等性能要求，并且还要确保即使高层建筑超出使用年限，在各种性能不断降低基础上，仍然可以正常使用。

2、耐久性

高層建筑混凝土结构设计应满足耐久性要求，在规定的使用年限内，高层建筑混凝土结构设计必须保持良好的结构耐久性，例如，混凝土结构裂缝宽度和长度不能超出标准范围，并且钢筋保护层厚度必须符合应用要求，避免钢筋受到外界环境潮湿空气的影响，出现锈蚀、腐蚀等问题。

3、安全性

高层建筑混凝土结构设计的安全性要求，主要以高层建筑使用年限为依据，在预定年限时间内，高层建筑混凝土结构必须始终能够承受外部和内部的各项荷载力[1]，即使遭受到突发性的破坏性时间，应确保混凝土结构能够保持稳定状态，防止出现大面积的结构性损坏。

二、高层建筑结构类型

1、钢筋混凝土结构

钢筋混凝土结构主要由混凝土和钢筋构成，采用钢筋混凝土施工材料来建设升板、使用滑模、大模板现浇结构和薄壳结构等主要承重部件。钢筋混凝土结构具有良好的整体性能，并且刚度大、成本低、维护方便、位移小、耐高温，在安全性、稳定性和耐久性等方面具有不可比拟的优势。近年来，各种混凝土增强材料不断涌出，高强混凝土、钢混凝土和钢管混凝土等技术日益成熟，钢筋混凝土结构在各个地区的高层建筑工程的应用越来越广泛。

2、组合结构

组合结构是指由组合砌体结构和钢筋混凝土结构组合而成的一种结构体，组合砌体结构由钢筋混凝土面层和砖砌体组成，这种组合转砌体构件和钢筋混凝土结构不同，其不仅具有钢筋混凝土结构的各种优点，还具有节约钢材、污染小等特点，可极大地降低高层建筑结构施工成本，并且施工工艺比较先进，在组合结构中，钢管缝隙中填充着大量的混凝土，混凝土在钢管中处于三轴受压状态，可极大地提高干钢管稳定性和承载能力[2]，并且节约钢材，因此组合结构也是一种重要的混凝土结构形式，在一定条件下，组合结构比钢筋混凝土的应用范围更加广泛，其不但可应用在各种建筑工程项目中，还可以应用在电力、冶金、造船等领域。

3、新型结构

框架体系和剪力墙体系是高层建筑混凝土结构设计最常见的两种类型，而新型结构体系，其根据筒体组成方式进行区分，可分为束筒体系、框筒体系和筒中筒体系，和普通单片平面结构体系相比，新型结构体系具有更高的承载能力，并且筒体具有良好抗侧刚度。当前，这种新型结构体系在楼层较多并且功能较全的高层建筑中应用较广泛。

三、高层建筑中混凝土结构的优化设计策略

1、优化结构单元设计

高层建筑混凝土结构设计首先应做好优化结构单位设计，独立的结构单元设计适合采用规则、简单的平面形式，混凝土结构突出部分和平面部分的长度应控制在合理范围内，保持均匀分布的刚度和承载力。并且，竖向单元结构适合采用规则、均匀的形式，从而有效控制高层建筑的内收和外挑问题。高层建筑混凝土结构设计应充分满足高层建筑的美观度、实用性和安全性等要求，以概念设计的知识和理念作为参考，优化混凝土结构设计，使混凝土结构的竖向和平面布局实现规则性、均匀和简单的要求[3]，确保混凝土结构承载力和刚度合理分布，避免高层建筑混凝土结构由于受到集中的塑性应力而发生变形。

2、优化钢筋和混凝土使用

高层建筑施工建设需耗费大量的钢材、混凝土等材料，如果钢材和混凝土强度较大，会导致高层建筑施工材料总造价超标，并且增加其他部件的造价，降低高层建筑的经济效益，因此高层建筑混凝土结构设计应优化钢筋和混凝土材料的使用和控制。例如，位于地震区的高层建筑，由于地震作用程度和高层建筑自重成正比例关系，因此混凝土结构设计应尽量减少高强度钢筋和混凝土的使用量，在减轻高层建筑柱、墙、板、梁等构件自重基础上，提高高层建筑混凝土结构的抗震性，确保高层建筑的安全性。又如，位于软土地基的高层建筑，由于软土地基存在很多不稳定因素，混凝土结构设计应注意合理优化高层建筑混凝土结构各个构件的截面尺寸，减轻高层建筑混凝土结构重量，消弱高层建筑基础工程施工难度，提高高层建筑混凝土结构整体稳定性。

3、优化剪力墙平面结构设计

高层建筑混凝土结构设计应充分考虑剪力墙结构平面布局，优化剪力墙平面结构设计，确保高层建筑混凝土结构整体受力的均匀性，使高层建筑受到侧向力影响发生的位移控制在允许范围内。高层建筑剪力墙平面结构优化设计应做好以下两方面内容：一方面，以高层建筑主轴方向为基准，双向布置剪力墙结构，墙肢截面设计应以简单的侧向刚度规则形式为主，混凝土结构设计应尽量避免使用短肢剪力墙；另一方面，应以高层建筑混凝土结构的基本功能为依据，优化剪力墙布置，实现剪力墙结构设计的均匀化和集中化，在平面形式变化较大的部位设计剪力墙，缩小高层建筑剪力墙结构间距。

4、提高结构安全性

高层建筑楼层多，人群密度高，一旦发生火灾，人们不易逃脱，并且也难以实施救治，因此高层建筑混凝土结构设计必须满足安全性要求。设计人员在保证高层建筑各项功能的基础上，考虑外部人为因素造成混凝土结构破坏和高层建筑结构的抗震性能，有针对性地提升高层建筑的抗震等级。并且，从高层建筑整体结构出发，加强混凝土结构设计的牢固度和稳定性，在公共属性较高的高层建筑中，尽量减少装配式或砖砌承重的混凝土结构，优先选择现浇的钢筋混凝土结构。同时，设计人员应结合高层建筑的使用性能，综合考虑混凝土结构的荷载变化，高层建筑的构件承载力和荷载标准值设计应具有较大的弹性裕度[4]，确保高层建筑在各级火灾和地震等灾害中，对自身混凝土结构具有良好的稳定性和安全性。

5、提高结构抗震性

高层建筑混凝土结构最容易受到的损坏主要来自地震威胁，因此在混凝土结构设计过程中，应满足抗震性要求，可通过对高层建筑混凝土结构进行抗震试验，得出该高层建筑结构的最低抗震性要求，或者借鑒高层建筑混凝土结构的抗震设计经验，优化设计高层建筑的结构构件、平立面体系和结构体系，从而有效提升高层建筑的抗震性。在高层建筑混凝土结构构件的延展性方面，应尽量加大柱、梁端的组合剪力，提高梁端钢筋的弯矩和柱体抗弯性能，使高层建筑柱端和梁端充分发挥塑性性能，在外部荷载作用下，保持高层建筑混凝土结构的稳定协调。在平立面设计方面，高层建筑混凝土结构设计应尽量采用均匀对称的墙体设置形式，提升电梯或者楼梯的井筒等高强度结构布置的均匀性和集中性，高层建筑混凝土结构的抗震墙设计应符合抗震需求，全面提升高层建筑平面结构的抗震性。并且使高层建筑各转换层结构尽量接近竖向刚度分布，剪力墙设计可以保持墙面竖向到底部的贯通。在混凝土结构体系设计方面，应尽量选择平面布局和空间结构规则简单的形式，例如高层建筑的平面布局，可采用扇形、方形、圆形、矩形等结构形式作为抗震结构体系，避免使用过长的伸展翼或者不对称的侧翼，通过对混凝土结构进行合理布局，使高层建筑实现均匀平衡的刚度和质量分布。

6、提高结构耐久性

首先，合理设计高层建筑混凝土结构构造形式，根据高层建筑的设计使用年限和具体侵蚀环境，设计厚度为20mm～60mm的混凝土保护层，仔细计算构件的表面积和截面积，避免出现侵蚀性物质集中的区域，并且确保混凝土墙板在高侵蚀度环境中保持良好的通风效果，合理设计配筋间距，避免出现保护层剥离、钢筋锈蚀等问题。其次，优化结构使用设计，高层建筑混凝土结构包含多个构件，由于不同构件所处的外界环境不同，因此不同构件的耐久性也存在差异，设计人员应结合高层建筑的实际环境，明确不同结构构件的注意事项和使用接线。最后，选择性能优良的混凝土材料，高层建筑混凝土结构设计应严格把关混凝土材料的基本性能和质量，从混凝土结构的抗裂性能、抗侵入性能和稳定性能等方面考虑，选择含碱量低的水泥和洁净、耐久、坚固的骨料，减少硅酸水泥的使用量，并且适当在水泥中掺加一些矿物料，提高混凝土材料的强度和刚度。

结束语：

高层建筑混凝土结构设计要综合考虑多方面因素，如地震力和高层建筑风等侧向力的影响，地基荷载和自重的影响，确保高层建筑混凝土结构应具有足够的刚度和强度，从整体上优化高层建筑混凝土结构设计，结合主要体系和总体系之间存在的受力标准，找到最优的高层建筑混凝土结构设计方案，满足高层建筑的安全性、稳定性和耐久性要求。

参考文献：

[1]苏永平. 高层建筑中混凝土结构的优化设计研究[J]. 山西建筑，2013，09：24-26.

[2]陈阳显. 浅析高层建筑中混凝土结构的优化设计[J]. 价值工程，2010，27：82.

[3]邵永玻. 高层建筑混凝土结构优化设计的探讨[J]. 门窗，2012，07：151+160.

[4]王广辉. 浅析高层建筑中混凝土结构的优化设计[J]. 科技风，2011，07：148.