高层混凝土结构优化设计方法探究

王晨

（山东华邦建设集团有限公司，山东 潍坊 262500）

近年来，进行高层建筑混凝土结构设计时，由于缺乏先进的科学技术手段，导致计算、测量参数缺乏较高精准度，再加上施工过程中没有注意细节问题，或者施工存在失误问题，致使高层建筑在投入使用后存在很大的安全隐患。通过优化设计混凝土结构，严格按照设计标准进行设计工作，能够消除传统设计中的不足，提高混凝土结构的合理性和安全性，为高层建筑结构的安全性能提供有效保障。因此，进行高层建筑混凝土结构设计时，需要遵循安全性、适用性、可靠性设计原则，优化设计地基基础、建筑平面结构、剪力墙结构、薄弱层结构、转换层结构，严格控制混凝土的配合比，提高混凝土结构的密实度和强度，全面提升高层建筑的整体建设质量，延长高层建筑的使用年限。

1 高层混凝土结构优化设计原则

1.1 安全性

跟一般的建筑物相比，高层建筑物的建设高度较高，人口居住密度大，如果高层建筑物混凝土结构缺乏良好的稳定性，一旦发生自然灾害，就会带来严重经济损失和人员伤亡，危害程度较高，所带来的社会影响也更加深远。因此，在进行高层建筑混凝土结构优化设计时，首要遵循的设计原则就是安全性，安全第一。以《混凝土结构安全健康标准》作为设计指导，设计过程中应重视结构性能，要提高整体混凝土结构抵御外部风险因素的能力，包括建筑抗震性、抗风性、抗水淹等，降低各种自然灾害对建筑物的毁灭性破坏，这样才能提高建筑安全系数，为人们的生命安全与财产安全提供强有力保障[1]。

1.2 适用性

进行高层建筑混凝土结构设计时，不仅要考虑安全性，还需要考虑整体结构的适用性。设计人员需要了解掌握建筑物的使用功能，对高层建筑内部空间进行合理分析和优化设计，提高结构内部设计的科学性和合理性，确保建筑物的适用性，这样能够让高层建筑的优势充分发挥出来，满足人们的使用需求。

1.3 可靠性

进行高层建筑混凝土结构设计时，还需要考虑到施工材料、施工工艺等因素，这些因素会对混凝土结构的稳定性和耐久性产生一定的影响。为了提高设计质量和效果，需要严格检查施工材料质量，严格规范施工工艺和施工技术，这样才能确保施工流程高效有序进行，确保混凝土结构质量符合设计要求，延长高层建筑结构的使用年限，提高建筑整体结构的可靠性。

2 高层混凝土结构设计存在的问题

2.1 地基基础设计问题

地基基础设计也是混凝土结构设计中的重要组成部分，只有合理设计地基基础，才能为建筑物提供良好的支撑作用，提升高层建筑混凝土结构质量。就目前高层混凝土结构设计来看，很多设计人员没有重视地基基础设计部分，基础设计缺乏安全性和经济性，最终影响了高层建筑的使用质量。比如，在柱下独立基础带梁板式的地下室底板设计中，很多设计人员都忽略了地基的沉降风险问题，没有将沉降变形带来的附加应力纳入考虑范畴，最终导致底板处于不安全状态下，地下室底板缺乏良好的承载能力，在外力作用下很容易出现开裂情况[2]。

2.2 建筑结构选型设计问题

新的建筑结构设计规范对结构的可靠度、设计计算等内容进行了更新和补充，尤其是对结构规则性增加了很多限制，对抗震及结构的整体性提出了更高的要求，同时也深化了建筑设计中的超高问题。比如，新的建筑结构设计规范明文规定，建筑物的建筑设计方案不能采用严重不规则的建筑平面结构。因此，在进行高层建筑结构设计时，设计人员需要严格按照建筑设计规范开展设计工作，合理设计建筑平面结构，尽可能选择简单、规则的建筑结构。如果设计方案中存在不符合设计规范的情况，设计人员需要根据实际条件进行适当调整，避免设计工作中存在隐患[3]。

2.3 抗震设计问题

近年来，很多地区频繁发生地质灾害，最为常见的就是地震，一旦出现地震灾害就会发生建筑物倒塌事故，带来严重的经济损失和人员伤亡，鉴于此，人们开始对建筑结构的抗震性能投以高度关注的目光，这就要求在高层混凝土结构设计中，注重抗震设计。影响高层建筑混凝土结构抗震性能的因素有很多，钢筋的使用数量、钢筋分布情况、结构构件连接的稳定性等都会对其产生影响，一旦设计人员没有对这些进行优化设计，那么混凝土结构的抗震性能就无法得到强有力保障。此外，高层建筑的平面结构、剪力墙结构以及薄弱层结构部分的设计效果也会影响建筑物的抗震性能，此部分内容也需设计人员重点关注。

2.4 混凝土结构裂缝问题

在高层建筑钢筋混凝土结构设计中，混凝土裂缝问题普遍存在，混凝土裂缝类型分为温度裂缝、膨胀裂缝、收缩裂缝、结构裂缝等。进行高层建筑施工时，经常会在施工现场现浇制作钢筋混凝土结构构件，构件不同，它们的刚度也存在很大的差别，这就导致整体钢筋混凝土结构中部分区域的刚度无法达到规定要求，在后续施工中或者投入使用后这些薄弱区域就会逐渐产生裂缝，如果不采取有效的措施进行处理，裂缝会逐渐蔓延扩大。而温度裂缝经常出现在大体积混凝土结构中以及温差较大的区域，这是因为混凝土结构表面散热比较快，而混凝土结构内部由于发生水化反应导致内部热量不容易散发出去，混凝土结构内外温差就比较大，混凝土表面就会产生一定的应力，一旦应力高于混凝土的最大抗拉强度，裂缝就产生了[4]。

2.5 混凝土材料配比不合理

作为高层建筑施工中的重要建筑材料，混凝土的属性并不是单一的，而是多样性的，混凝土的原材料有水泥、石头、砂子、添加剂、水等，将这些原材料拌和在一起最终凝结形成混凝土材料。在施工过程中，由于高层建筑的建设要求不一样，对混凝土的强度和耐久性标准也存在很大差异，这就要求进行混凝土材料拌和时，需要提前进行试验，严格按照试验比例进行配比，这样才能确保混凝土质量达到规定要求。就实际情况来看，还是存在混凝土材料配比不合理的情况，大大降低了混凝土的标号等级，这样在混凝土结构施工环节，混凝土表面很容易出现气泡、凹坑、蜂窝麻面等缺陷，严重影响了混凝土结构质量，降低了高层建筑的稳定性和安全性。比如，制作混凝土时，如果砂石材料的投入比例超出了规定配比，那么在搅拌过程中由于骨料过度集中导致拌和物出现分崩离析状态，严重情况下混凝土材料会发生硬化，使得混凝土的牢固性大大降低。

3 高层混凝土结构的优化设计方法

3.1 强化地基基础设计

地基基础设计在混凝土结构设计中占据着重要地位，地基基础承载着整体的建筑物结构，良好稳定的地基有助于高层建筑混凝土结构质量的提升。因此，在进行混凝土结构优化设计时，需要注重地基与基础设计，根据建筑施工的相关要求选择合适的基础类型，制定多种基础设计方案，对比分析各方案的经济性和安全性，从中选取出最佳方案，以此降低造价成本，提高建筑物的稳定性、抗震性和安全性。设计前需要实地考察施工现场，掌握了解建筑的地理位置、地质条件、水文条件、周围的环境因素等，在此基础上综合分析，制定合适的建筑方案。如果建筑的地理位置优越，地质条件不复杂，建筑的建设高度不是很高，就需要选择一些简单方便的浅性基础，比如独立基础或者条形基础。如果建筑的地理位置条件复杂程度高，建设高度很高，地基基础需要承担较大的负荷，就可以选择桩基础，通过桩基础将建筑物整体的荷载传递到土质稳定良好的土层上，有效避免建筑物的沉降问题。如果建筑物水文地质条件好，而且要求的层数高，筏板基础是较为合适的选择，筏板基础不仅能够提高下部持力层，还能使高层混凝土结构的基础面积得到明显提升，这样能够使土层单位面积的受力值大大降低，确保地基基础具有良好的稳定性，对建筑物的不均匀沉降进行合理控制。

3.2 合理设计建筑平面结构

只有具备良好的抗震性能，高层建筑才能抵御地震灾害的侵袭，而高层建筑的平面结构布局是影响建筑物抗震性能的主要因素。因此，需要重点关注建筑平面结构设计。在进行建筑平面结构设计时，需要严格遵循高层建筑抗震设计原则，掌握了解混凝土结构材料对建筑抗震性能的影响，参考建筑物的建设高度，确定好建筑物所要达到的抗震等级。通常情况下，如果建筑平面结构具备简单、规则、对称特点，那么它不仅符合抗震规定要求，显著提高了整体的抗震能力，还能使地震释放的能量尽快消耗掉，大大降低地震延伸所带来的破坏力。如果建筑平面结构属于多塔结构、顶塔结构，就需要对它们的振型数进行合理掌握，将其大小控制在合理范围内，认真核算设计数据，根据抗震设计理念和标准规范设计要求，在确保建筑物建设要求得到满足的前提条件下，对建筑平面结构的设计内容进行优化完善，确保高层建筑混凝土结构具有较强的抗震性能[5]。

3.3 优化设计高层建筑剪力墙结构

进行高层建筑剪力墙结构设计工作时，需要根据相关建筑结构，认真考虑刚度角和延性角2 个问题。为了优化设计相关结构的延性水平，需要保证结构的承载力保持不变，再根据建筑主体结构的抗变形效果对其进行优化设计；为了优化设计相关结构的刚度水平，设计人员需要根据建筑物主体结构的侧向位移和自身的自振周期对相关结构进行标定。设计人员需要深入研究剪力墙的构件结构，对构件结构的延性、刚度、极限承载力进行合理分析，在此基础上采取有效的措施提高剪力墙构件结构的支撑强度和稳定性。同时，在进行相关剪力墙结构的优化设计时，需要同步进行减震隔离设计工作，确保两者工作的步调协调一致。通过优化设计高层建筑剪力墙结构，确保高层建筑支座间的弹塑性位移角持续保持在合理范围内，而且通过提高弹性层间位移角限值，能够让钢筋混凝土结构得到进一步优化，显著提升混凝土结构的刚度参数和延伸特性参数。

3.4 提高对薄弱层结构设计的重视度

在高层建筑混凝土结构设计中，需要高度重视薄弱层结构的设计工作。在地震等自然灾害影响下，高层建筑的薄弱层会出现下沉、变形情况，从而严重破坏了建筑内部的混凝土结构，降低了混凝土结构的稳固性，带来了安全隐患。因此，设计人员需要优化设计建筑中的薄弱层，确保高层建筑具有良好的安全性能。如果高层建筑混凝土结构的竖向结构刚度无法保持连续性，再加上建筑物没有按照标准规定要求的楼层刚度进行施工作业，那么就会很容易出现建筑结构薄弱层，建筑物的安全隐患也会大大增加。这种情况下，设计人员进行薄弱层结构优化设计时，就需要通过对薄弱楼层的安全标准进行适当调整，确保薄弱层的设计能够符合设计规范和安全标准要求。如果制定的安全标准缺乏合理性，那么薄弱楼层的施工质量必将达不到相关规定要求。此外，进行混凝土结构设计时，还需要加强对薄弱层周边区域和周边构架的设计，这样能够提高高层建筑薄弱层的设计效果，让建筑物整体具备较强的抗震性能，确保建筑物的使用安全。

3.5 做好转换层结构设计工作

高层建筑底部各层的建造不仅要满足建筑空间的各项建设要求，还需要在建筑中的相应位置设置一定的转换层，确保上下结构的转换具有良好的过渡性。因此，在进行高层建筑混凝土结构优化设计时，需要做好转换层结构的设计工作，不仅要保证转换层上下垂直方向的结构设计符合设计标准，还需要对转换层的上部和下部结构的刚度比进行严格控制，这样在剪力墙建造施工比例合理控制的前提条件下，能够显著降低上下混凝土结构刚度突然变化带来的影响力。如果转换层的结构设计存在不足，就会导致建筑物的整体结构存在缺陷，这个缺陷的位置就会成为地震侵袭的突破口，安全隐患很大。同时，还需要对高层建筑转换层以上竖向构件的数量进行严格控制，从而使转换层结构刚度的差异性大大降低，这样即便混凝土结构的转换层发生了刚度转变，也不会对建筑物整体的安全性能带来太大的影响。此外，高层建筑转换层的混凝土浇筑面积很大，对混凝土结构强度提出了很高的要求，施工过程中需要格外注意混凝土温度裂缝问题。相关人员需要合理调整振捣点及振捣范围，不仅要避免振捣棒碰撞钢筋，还需要保证混凝土内部振捣的均匀性。

3.6 严格控制混凝土的配合比例

混凝土作为高层建筑施工中不可或缺的材料，它的参数和性能会对高层建筑的施工质量和使用年限产生直接影响。因此，在进行高层建筑结构优化设计时，需要优化设计混凝土配合比。为了提高混凝土结构强度，相关人员需要提前做好混凝土试验工作，混凝土配合比设计内容包含用水量、水泥用量、砂石总用量等。选择水泥时优先选择普通硅酸盐水泥，此种水泥的水化热反应适中，可避免因混凝土内外部温差过大而影响混凝土性能，然后再根据相关规定要求准备其他试验原料，同时需要对各种砂石骨料的含水量和大小进行准确检测，最后再运用专业的计算方式，获得科学有效的混凝土配合比。当然配合比并不是固定不变的，相关人员还需要结合施工的建设要求和施工现场的实际情况，适当调整各原材料的添加比例，这样才能提升混凝土结构强度和耐久性[6]。

进行混凝土拌和时，施工人员需要严格按照原材料的添加顺序进行添加，确保均匀混合混凝土材料，混凝土搅拌时间可以有效参考搅拌设备的容积和混凝土的性能表现，这样拌和出来的混凝土强度才能满足施工要求。还需要着重关注混凝土的水化热控制方式，将材料膨胀剂适量添加在混凝土原材料中，合理控制混凝土内外温差。在混凝土施工过程中，如果施工环境的温度比较低，就需要采取有效的保温措施避免混凝土出现结冰或者冻害现象。在高层建筑施工中，经常会大量地浇筑混凝土，施工人员需要对混凝土的水灰比和坍落度进行严格把控，保证混凝土的密实度和强度，减少混凝土裂缝问题的产生。

4 结语

综上所述，优化设计高层建筑混凝土结构具有至关重要的作用，能够提高混凝土结构强度和稳定性，为高层建筑施工奠定坚实的基础。因此，在高层建筑施工中，需要提高混凝土结构优化设计的重视度，优化设计高层建筑的各个单元结构，提高各结构的建设质量，确保混凝土结构符合施工要求，提高高层建筑的使用质量和使用安全性，有效保障人们的生命安全和财产安全。