浅议高层建筑混凝土结构方案设计与优化

张 瑾

(中核新能核工业工程有限责任公司，山西 太原 030012)

从古至今，建筑就是人类文明的象征和人类进步的标志。现阶段，随着经济的快速发展及城市化进程的加快，为了合理利用有限的土地这种不可再生资源，我国建筑正在发生着巨大的改变，主要表现为形态向高层发展，可以说，发展高层建筑已成为建筑业发展的一种必然趋势。但是，随着建筑高度的增加，以及建筑内部空间的扩大，结构设计的安全性及稳定性越来越凸显，越来越引起人们广泛关注和重视。而钢筋混凝土结构作为我国传统的结构形式，因其具有造价低、耐久性好、结构造型灵活、整体性好等优点，而被广泛应用于各种工程结构中。因此，对于高层建筑混凝土结构的优化设计进行研究非常重要。

1 现阶段高层建筑混凝土结构的优缺点

目前，世界各国尚无统一划分多、高层建筑的标准和界限。世界高层建筑委员会曾将高层建筑划分为4类，分别为1类、2类、3类和4类[1]，其中，1类高层建筑层数9～16，高度小于50 m；2类高层建筑层数为17～25，高度小于75 m；3类高层建筑层数26～40，高度小于100 m；4类高层建筑层数大于40，高度大于100 m。在我国，JGJ 3—2002钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程规定，起始层数N≥10，或者起始高度H>28 m的建筑为高层建筑。

高层建筑的发展绝非一种偶然，它在种种矛盾之中找到了一个新的契合点，解答了当代中国城市化发展的问题。高层建筑有如下优点：1)节约用地。基于我国人口众多、土地稀缺的基本国情，高层建筑大大提高了建筑容积率，节约了建筑用地，从根本上解决了城市土地稀缺的问题。2)提高生活品质。我国社会正在进入老龄化，高层建筑中的电梯可给老年人上下楼等带来极大方便，使老年人晚年生活质量得到了大幅度的提高。3)营造良好的生存环境。高层建筑的建筑密度缩小，得房率提高，开发商可以空出更多土地提高小区的绿化率，使得自然景观与人工景观完美融合、互相呼应、更加协调，大幅度的改善小区的生态环境水平。然而，高层建筑也有其缺点，如整体造价高，施工难度较大，存在安全性问题等。且高层建筑的结构设计必须做到科学、合理，否则将产生较大的人身财产损失。

对于高层建筑混凝土结构而言，其具有维护费用低，结构造型灵活，整体性能好等优点。但是，高层建筑混凝土结构也存在结构自重大，构件占据面积大，延性能差，抗裂性能差，修复困难，施工速度慢等缺点。下面本文将主要对高层建筑混凝土结构方案设计与优化的相关问题进行探讨。

2 高层建筑混凝土结构设计中可能存在的主要问题

2.1 结构选型问题

随着高层建筑迅速地发展，层数越来越多，体型越来越复杂，新结构体系不断出现，主要表现为结构体系巨型化、自重轻型化，柱网、开间扩大化，以及高层建筑结构体系中设置转换层、加强层等[2]。其中，轻型化表明结构体系越来越重视采用轻质高强材料以减轻自重；转换层的设置是实现集办公、商贸、娱乐为一体的高层综合体的必然要求；加强层的设置可以使外柱参与整体抗弯，使结构整体抗侧能力增强。但是，新的结构体系缺乏成熟的规范依据，因此，面对这些新变化，设计者需在做选型分析时充分试验与论证，否则将做出错误的选型决策。

而高层建筑混凝土结构存在结构自重大等缺陷，对于选型高层建筑混凝土结构，需要注意以下几个问题：

1)需要明确实际的设计规则问题，准确的分析实际新旧规范标准；2)需要根据实际的设计规范标准，明确实际抗震规范标准范围；3)对于不符合实际规范标准的设计方案不可以采用；4)对于高层建筑的高度变动问题，需要控制实际的结构标准高度；5)对于新规范中可能发生的强制性规定进行分析，尽可能的避免规范变动导致的施工阶段被动问题。

2.2 结构设计问题

在高层混凝土结构设计中，设计难度系数比较高，且存在建筑结构理论计算结果与实际情况存在差异的情况，因此，结构工程师在设计高层混凝土结构时，应当注意以下几个方面的问题：

1)地基和基础设计期间存在的问题。高层建筑混凝土结构在地下室底板设计期间，建筑物易受到地下室底板上部结构作用力的影响而下沉，如果是天然地基，那么将会出现更大的影响。因此，高层混凝土结构设计期间，需全面考虑对建筑物附加的预应力，也可采取相应的措施进行处理，如采用在地下室底板与持力层之间应用褥垫的方式，做好相应的配筋设计工作等。

2)上部结构设计中存在问题。高层混凝土上部结构设计中，最主要、最重要的是对剪力墙的设计。而高层建筑的剪力墙分布在很多结构设计中，均匀、对称和强边角的设计原则使建筑物有很大的空间，但这样的结构一旦发生改变，也必然会损害与其相关联的结构[3]。因此，为了避免此类情况的发生，设计者可以对剪力墙增加底部强化部分，设计约束边缘的结构，此外，还应对剪力墙出现的个数以及安放的位置加以严格控制。

3 高层建筑混凝土结构方案的设计要点及优化建议

3.1 高层建筑混凝土结构方案的设计要点

高层建筑的生命周期中需要承受水平和竖向双向荷载，而混凝土结构设计对高层建筑物的质量以及功能具有重要的影响，为此，我们要强化并重视高层建筑混凝土结构设计过程中容易出现差误的重点内容，以确保高层建筑的安全性。具体如下：

1)选用最优的结构形式。高层建筑混凝土结构在进行方案设计时，要根据实际情况合理的选择最适合的结构形式。目前，其常用结构主要包括框架、框剪、剪力墙和筒体结构等，而这些结构根据其自身的特点都有最为适用的情况，如框架结构一般主要适用于高度低于60 m，框剪结构一般主要适用于商品房或者高度低于120 m的建筑设计中，筒体结构尤其适用于超高层(大于150 m)或者摩天大楼中等。

2)注意结构的整体布局和造型。这要求设计人员在满足结构适用性、安全性和美观性的基础上，充分运用自己的建筑设计专业知识，尽可能地优化建筑结构的平面布置和竖向布置工作，避免建筑局部因突变或者削弱而形成薄弱部位，进而确保整体建筑结构的规则性、均匀性和简单性。

3)优化构件截面。要求在综合结构安全性和经济性的基础之上，要尽量选用成本性价比较强的构件截面，不能为了节省成本而选择过小的建筑构件截面，进而导致结构设计安全风险的增大。

4)设置合理的沉降缝和转换层等。相邻高层建筑物之间高度差异过大会引发地基承载变形问题，在此种情况下设计人员应根据具体情况设置沉降缝。设计人员应根据具体情况，在框剪结构中上部框架结构和下层剪力墙的交接部位设置转换层，同时采用其他加固措施，防范承载力突然改变的问题，以确保整体建筑的质量。

3.2 高层建筑混凝土结构方案的优化建议

在对高层钢筋混凝土结构进行设计时，为了有效改善结构的受力性能，提高结构稳定性及安全性，可进行如下优化措施：

1)选用高强度施工材料。混凝土、钢筋等施工原材料的质量直接影响着高层建筑工程的整体质量及成本，如果可以合理运用一些高强度施工材料，不仅有利于优化建筑构件，减轻建筑结构的整体重量，还可以有效地缩减构件的尺寸，降低材料用量及施工成本。另外，在地震高发区的高层建筑中合理运用高强混凝土和高强钢筋等材料，还可达到提高设计有效性及安全性的目的。

2)增加抗弯结构体系的有效宽度。据相关科学估算，在其他条件不变的前提下，侧移将按宽度增加的三次方的比例减小。因此，增加宽度可以直接增大抵抗力臂，从而减小抗倾覆力。设计人员可通过增加抗弯结构体系的有效宽度，而提供整个结构的抗侧刚度。

3)优化建筑结构平面。建筑结构平面的质量直接关乎高层建筑的整体性能。一般而言，保持建筑结构平面形状的规则性、简单性和对称性，不仅相应的各种指标校核和检验也会比较简单，而且还可以使得建筑结构所承受的承载力和刚度等荷载平均分布，从而更好的发挥建筑结构的各项功能。同时，结构设计人员需要充分注重概念设计，尽量少设置施工缝，避免建筑局部地区存在突变的问题。

4)选择合理的倒塌机制。当高层建筑结构出现一定的塑性铰后，整个结构会变为机构，而机构不可以稳定地承受外荷载作用，其会丧失承载能力，以至于出现可持续变形甚至倒塌。为此，设计者应根据具体结构类型合理安排、设置塑性铰等倒塌机制，确保结构承载能力基本保持稳定，可以持续变形而不至于倒塌。

4 结语

高层建筑是社会发展所必然出现的产物，而在高层建筑质量方面，混凝土结构设计非常重要。为此，在高层建筑混凝土结构设计过程中，设计人员需遵照结构概念设计的原则，配合建筑专业及其他相关专业的理论知识和相关实际建筑经验，运用多种方法，确保相应混凝土结构的延性、刚度和强度等性能，从而不断的提升高层建筑的稳定性与安全性。