高层建筑混凝土材料的优化选择

王治强

深圳市宝安区住房和建设事务中心 广东 . 深圳 518000

摘要：本文对混凝土空心砖、加气混凝土砌块和混凝土小型空心砌块三种高层建筑墙体材料进行了研究，分析了不同层次框架结构的经济性以及这三种墙体材料在工程中的实际应用价值。结果表明：当层数小于3层时，混凝土空心砖在三种高层建筑混凝土墙体填充材料中经济性最好，当层数大于3层时，加气混凝土砌块的造价略低于混凝土空心砖。根据研究结果，在三种高层建筑混凝土墙体填充材料中，混凝土小型空心砌块的造价相对较高，混凝土空心砖与加气混凝土砌块的造价差异较小，较为经济。

关键词：混凝土；墙体填充材料；高层建筑；优化

前言

高层建筑墙体混凝土材料主要包括混凝土空心砌块、混凝土空心砖、蒸压加气混凝土砌块等。这些墙体混凝土材料在不同程度上得到了广泛的应用，特别是在我国南方的空心砖和蒸压加气混凝土砌块的混凝土中。蒸压加气混凝土砌块以水泥烧结粉煤灰为主要原料，通过纯水泥化学加气，其抗压强度为5.8尼，密度为580 kggm3，具有隔声、抗震、隔热性能好等优点，有利于降低结构含钢量，减少结构截面，尤其是高层建筑。目前，对高层墙体混凝土材料优化的研究很少，大多集中在各种填充墙体材料的优缺点和材料的定性分析上，没有紧密结合实际情况。以造价最低为目标，研究了高层建筑墙体常用的三种墙体材料，即raswigas、加气混凝土砌块和混凝土小型空心砌块，分析了框架结构不同层次的经济性，并分析了这三种墙体材料在工程中的实际应用价值。

一、高层建筑墙体常用混凝土材料

高层建筑混凝土材料是由非承重材料或承重材料通过不同的方法组合、浇筑而成。在高层建筑混凝土墙体填充材料中，主要起隔离和围护作用，是非承重材料。在高层建筑材料中，墙体混凝土材料的密度较大，其价值约占高层建筑总造价的3/10。

（一）混凝土小型空心砌块

这种材料的骨料一般是砂石，而胶凝材料的骨料一般是水泥。搅拌过程中加入一定量的水，最后利用振动压力使物料凝固。养护一段时间后，即可得到所需的定量空心率砌块。混凝土小型空心砌块具有强度高、砌筑方便、重量轻、施工效率高、墙体平整度好等特点。它通常用于一般民用建筑、工业建筑，特别是高层建筑框架结构、承重墙填充墙。

（二）混凝土空心砖

这种材料的水平孔经加工成型后不具备承载能力。它具有重量轻、高寒率、导热率低、隔音、施工方便等优点。由于这种材料不具备承载能力，一般用作非承重框架，使用这种材料可以使结构更轻。与传统材料相比，这种材料的自重只有后者的70%。这种材料的使用可以大大降低成本，且相关性能优良，从而降低建筑的整体成本。

（三）加气混凝土砌块

硅质和钙质材料是加气混凝土砌块使用的主要材料。这种材料的制备过程比较复杂。首先加入气体发生剂，然后在搅拌过程中加入适量的水。发气剂会产生气体，物质内部会产生孔隙。然后，经过一系列的工艺处理，得到成品，它本质上属于多孔硅酸盐混凝土制品。这种材料用途广泛，可用于板材、砌块、保温制品，最常见的是用于一系列建筑围护结构的填充和承重结构。

二、多级优化设计 MLOD 程序

（一）多级优化设计MLOD概述

多级优化设计程序是一个基于多级优化设计思想的多级优化设计程序。目标函数的设计以保证成本最低为前提。在整个设计优化过程中，所涉及的变量是离散的。例如，杆件截面尺寸搜索步长设置为50。设置混凝土强度等级时，必须参照混凝土等级设置。通过连续迭代计算，最终确定各层混凝土标号和最佳构件尺寸。在程序中，参考预算定额的各种价格确定，并通过VB语言实现程序操作界面。由于材料成本信息和建材市场价格的变化，相关人员可根据市场价格进行定价。

（二）多级优化设计

MLOD设计思想在运用这种程序进行优化的过程中，这种程序的核心思想是多层次优化。该过程具体可分为三个层次，总体分析为第一层次。对整个结构各构件的内力进行分析，为设计提供所需的结构内力。夹层优化过程为第二级，目的是满足建筑竖向抗侧力构件的材料强度和截面尺寸由下至上逐渐减小，尽可能防止结构抗侧力承载力和侧向刚度的突变。第三个层次是构件优化，即基于结构和强度约束，尽可能降低所有构件的价格。图1显示了MLOD的优化过程。

图 1 MLOD 优化过程示意图

三、模型概况

（一）模型简介

针对高层建筑墙体混凝土材料的选择，根据框架结构经济性能最佳的原则，建立了柱网尺寸为8.5m5.5m的两跨框架结构模型。跨度8.5m，每3M设一道梁，统一层高4m。根据墙体材料的不同层次，选择了5种模型体系，即3、5、7、9、11层。在经济分析中，对中跨8.5m框架进行了计算分析。对框架梁的墙施加不同的荷载。表1显示了墙荷载的值。所有墙体材料均采用水泥砂浆抹面。

表 1 墙体荷载取值

（二）框架优化

1.模板综合单价的计算

根据直接成本，采用115%乘以法。综合单价是管理费、综合费、税金、监理费的综合考虑。在计算模板综合单价时，根据1.0m2所需模板数量，以梁为例进行计算，表2给出了梁模板综合单价的计算过程。由表2可知，柱模板综合单价为169.59元/m²。

表 2 梁模板综合单价

2.框架优化结果

KPM软件建立了混凝土空心砖、加气混凝土砌块和混凝土小型空心砌块常用的三种墙体材料，分别取3层、5层、7层、9层和11层的15种模型。对所有涉及的数据，取现行建筑材料的市场参数，并参考《建筑抗震设计规范》，选择框架的抗震等级。在MLOD程序中，输入结构信息和荷载。通过程序的迭代运算，对最终结果进行了优化。

（三）填充墙体造价计算

按目前建材市场价，混凝土空心砖综合单价295.31元/m³，混凝土小空心砖综合单价385.62元/m³，加气混凝土砌块综合单价261.43元/m³，可得高层建筑混凝土填充墙的实际成本。

（四）框架造价

通过对混凝土、钢筋、墙体工程量的统计分析，结合综合单价的相关数据，得出混凝土空心砖、混凝土小型空心砌块、加气混凝土砌块五层以下高层建筑常用填充墙体材料对应的框架结构总造价。

4. 结束语

当楼层数超过3层时，充气混凝土砌块的成本略低于混凝土空心砖。根据本研究的统计结果，在三种高层建筑混凝土墙体填充材料中，混凝土小型空心砌块的造价相对较高，而空心砖和加气混凝土砌块的混凝土造价相对较小，较为经济。在实际应用中，应根据具体环境进行选择。防潮要求不高时可选用加气混凝土砌块。

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