高层建筑混凝土结构优化设计的探讨

2022-04-07刘茂野

四川水泥 2022年3期

孙霄刘茂野

（1.山西水利职业技术学院，山西运城 044000； 2.中国联合工程有限公司，浙江杭州 310000）

0 引言

混凝土结构是目前各类建筑中最常见的结构，在高层建筑中起着不可替代的作用。高层建筑的混凝土结构主要有组合结构和钢筋混凝土结构两种类型。在混凝土结构设计过程中，需要兼顾使用需求和安全性能，但在结构设计过程中，却存在一些不足之处。因此，需要明确混凝土结构中存在的问题，并提出相关的解决措施来优化设计，促进高层建筑的发展。

1 高层建筑混凝土结构种类

高层建筑采用混凝土结构设计时常用组合结构和钢筋混凝土结构。

1.1 组合结构

该种结构不仅具有钢筋混凝土结构的优势，同时混凝土在钢管内处于三轴受压状态，自身的承载力得到进一步提高，有利于节约大量的钢材，对周边环境的负面影响比较小，工程建设周期也比较短，因此在高层建筑的设计和施工过程中，合理利用组合结构，能够取代钢筋混凝土结构和钢结构。针对不同的用途，组合结构可以分为钢筋混凝土组合结构和组合砌体结构。在一些层数比较高的建筑中，结构构件承受的内力比较大，对钢筋混凝土构件的尺寸有着更高的要求，这时就可以采用钢筋混凝土组合结构，利用钢管混凝土结构和型钢混凝土组合结构（图1所示）代替传统的钢筋混凝土构件，能够有效发挥钢和混凝土的不同优势；组合砌体则主要应用于多层建筑中。

图1 型钢混凝土组合结构设计

1.2 钢筋混凝土结构

框架-剪力墙结构（图2所示）、框架体系和剪力墙体系是高层建筑钢筋混凝土结构体系中的三种代表。新型的结构体系一般以筒体的组成方式进行划分，主要可以细分为多束筒体系、框筒体系和筒中筒体系。不同于传统的单片平面结构，筒体结构的承载力更大，同时也具有更强的抗侧移刚度，在一些功能要求比较高的高层建筑中，该种结构的应用较为广泛，是一种大多数建筑设计者都比较熟悉的结构形式。

图2 框架-剪力墙结构

2 高层建筑混凝土结构设计中存在的问题

2.1 设计选型的问题

由于高层建筑结构相对复杂，在对混凝土结构选型时会出现很多矛盾，比如结构是巨型化还是自重轻型化，又或者是开间扩大化，高层是转换层还是加强层，这些在设计的时候都需要进行仔细考量。因此在设计选型时，要及时掌握新的建筑规范，明确建筑规则，避免设计出的高层建筑不符合现有的规定。在设计过程中要考虑周围的地理情况，避免出现返工，也要避免为了追求效果而出现不可操作的情况，影响施工的进度和质量。

2.2 设计统筹的问题

剪力墙设计是结构中非常重要的一步，剪力墙具有均匀、对称的设计原则，可以给整个建筑物节省空间，视觉宽阔，因此很受欢迎。所以在设计剪力墙的时候不能改变其结构，否则会影响到其他与之有关的结构，从而对建筑物的整体结构产生影响。高层建筑物的地基比低、中层的地基承重力大，在设计的时候要考虑到地基的重要性，并采取相应的措施来增加地基的承受力，确保建筑物不会因为地基问题而受到影响。总之，在设计混凝土结构时要考虑全面，不可忽视任何对结构产生影响的因素。

2.3 材料选择的问题

不同材质的混凝土应用在高层建筑建设中各有其局限性设计时对材料考虑不周会导致结构强度不可靠或者资源浪费,增加建设成本。运用于建筑的混凝土结构材料可以大致分为素混凝土、钢筋混凝土、预应力混凝土。素混凝土是单纯的混凝土，抗剪强度低，难以充当高层建筑结构的材料，所以高层建筑混凝土结构常用钢筋混凝土和预应力混凝土。钢筋混凝土抗拉强度良好、制作方便，而且成本低，但作为抗拉构件时存在徐变和容易开裂的问题，而且自重较大，不利于抗震和施工时的吊装，此外在天气状况不佳的情况下施工，钢筋混凝土部件的连接也会出现问题。预应力混凝土由于提前添加预应力，可以增强混凝土结构的抗裂性能，适用在可适当变形的建筑中，对于高层建筑而言是一种优良材料，但预应力混凝土结构设计复杂，并且加工工艺难度高，造价也较高。所以，在混凝土结构设计中需要重视材料的合理选择，以兼顾工程质量及造价成本。

3 高层建筑混凝土结构设计的优化措施

3.1 合理应用BIM 信息技术

在混凝土结构设计中，可以借助BIM技术，通过构建建筑模型进行模拟实验，让设计者更加直观地看到设计模型，修改设计中的不足，不仅可以加强设计者和需求者之间的交流，满足用户的实际需求，同时也能够有效避免施工过程中的不足，发现问题在短时间内进行解决，保障工程的施工进度。在设计过程中还可以利用信息技术来对大量的施工数据进行分析和计算，避免出现人为计算的错误，提高数据的准确率，减少因施工数据偏差影响后续施工的稳步推进。

3.2 提高设计人员素质

设计人员的素质和专业能力对混凝土结构设计方案有着重要作用，因为混凝土结构设计大多取决于设计者的想法，因此提高设计人员的综合素质至关重要。设计人员首先要了解混凝土的特性以及高层建筑对混凝土结构的需求，这就需要施工单位给设计人员配备相关的设计模拟实验室，并且配备实验所需的混凝土等施工材料，让设计人员可以亲手实践操作，明确在设计方案中存在的不足以及该采取怎样的解决措施。除此以外，企业还应该定期对设计人员进行培训，让设计人员能够与时俱进，了解对高层建筑和混凝土结构的最新要求，以便设计者在设计结构时可以按照严格的规范设计，保证混凝土结构的整体效果。

3.3 正确选择加固设计

针对混凝土结构材料应用在高层建筑中本身的缺陷，需要采取正确的措施来进行加固，面对不同的混凝土结构，所采用的加固方法也有所不同，比如增大截面、置换混凝土、采用外粘型钢、粘贴纤维复合材等加固方法[3]。如果钢筋混凝土结构加固方法设计不规范不合理，会导致混凝土结构的使用周期变短，甚至出现变形，所以要严格规范使用加固方法以防混凝土无法承受高层建筑带来的外荷载作用，保障用户的居住体验和居住安全。因此设计者在对结构进行设计时要基于实际需求，对不同的加固方法和倒塌机制进行分析，例如遇到钢筋混凝土受到挤压变弯的情况时，可以选择增大截面的加固方法，分担其承受力，提高混凝土的强度。置换混凝土的加固法适用于承重构件受压区混凝土严重缺少或者强度不够的情况，主要原理是利用一定的支点，填入一定的混凝土或者将混凝土进行调换。总之在设计时需要考虑运用合适的加固方法，避免随意使用，影响混凝土结构的建设质量[1]。

3.4 加强裂缝防治设计

裂缝问题是混凝土施工中最容易出现的问题，所以在设计过程中要特别重视混凝土裂缝。混凝土的裂缝分为静止裂缝、活动裂缝和尚在发展的裂缝三种。在设计过程中要秉持整体眼光，比如遇到尚在发展的裂缝时，首先不要急于修补，因为还不能确定裂缝的长度和宽度，要等待其不再发展之后再进行修补，而修补也是要讲求一定的方法，比如注射法只是适用于0.1mm～1.5mm的静止且独立的裂缝、蜂窝状的裂缝和贯穿性的裂缝[1]。所以针对出现裂缝的状况，在设计中应该科学合理地设置沉降缝，可以有效地避免受力过于集中，压塌某一局部位置，减轻因为受力不均导致地基的下降，而且在设计的时候也要严格地计算出混凝土结构的配料比例，确保混凝土的质量，尽量减少混凝土因为结构问题产生的裂缝，提高高层建筑的质量。

3.5 提高安全设计标准

建筑安全是设计者首先需要考虑的。因此，在设计时要根据用户需求选择高标准的混凝土，避免使用低质量的混凝土导致结构硬度不够，承受力不过关，结构不够耐久，影响高层建筑的质量，甚至影响到用户的安全使用。除此之外，还应该考虑到一些不可控力因素，比如地震等自然灾害的影响，在设计时则要根据建筑物的抗震性能设计标准，提高混凝土的质量等级符合安全标准，确保混凝土结构能够承受住一定强度的地震，保障用户的安全。

3.6 完善剪力墙设计

作为建筑重要的承重结构，剪力墙设计关系到整个建筑的稳定性，推进剪力墙的设计优化工作，对于提高高层建筑的建设效率和质量有着重要意义。结合剪力墙施工和建设的实际情况来看，剪力墙的结构较为规则，施工流程较为明确，在应用剪力墙结构时，墙体厚度一般能够达到200mm，如果存在转弯部分，可以通过多个弯面的设计，保障侧向刚度免遭破坏。在高层建筑的施工过程中，要避免大量使用短肢剪力墙，因为这会影响混凝土结构的承重能力。在剪力墙设计中，要采取集中布置的模式，避免破坏建筑的内部空间，综合考虑建筑的多类承重部分。

3.7 优化原材料选用设计

对于高层建筑，材料的选用直接决定了混凝土结构的整体质量。优化混凝土结构设计，在选材上就是要在保证质量的前提下尽可能地减少钢筋用量，降低工程造价，因此，在设计时要优先考虑选择高强钢筋。由于建设需求和土地资源缺乏相冲突，有时不可避免地需要在软土地基上进行工程建设，增大建设成本。为了减少工程造价，降低施工难度，一方面对建筑有强度要求，另一方面还要想办法减轻建筑对地基产生的荷载，最大程度上减轻混凝土的总重，在设计时对钢筋混凝土构件的界面尺寸进行优化。从地震等自然灾害对于高层建筑所造成的危害分析可知，地震危害程度有一部分就取决于建筑物的自重，因此，在设计高强度混凝土和高强度钢筋时，根据现有的技术标准综合考量，最大程度上减少各构件截面尺寸，进一步减少钢筋总量，降低建筑物的重量，在减少工程造价的同时，使建筑物的安全性得到显著提升。