高层建筑混凝土结构优化设计探讨

高层建筑混凝土结构优化设计探讨

莫成坚

广西国瀚建设集团有限公司

【摘要】当前我国社会经济与科学技术均快速发展，人们生活水平提高，对居住环境和建筑结构的要求也明显提升。另外我国城市化进程的不断深入导致城市中高层建筑的需求逐渐增加，而混凝土作为我国建筑工程常用的材料之一，在高层建筑工程中也发挥了很好的作用。本文结合笔者多年的研究与实践，探讨高层建筑混凝土结构的优化设计策略，以供参考。

【关键词】高层建筑；混凝土结构；优化设计

    伴随着我国城市化进程的加快发展，用地矛盾日益突出，于是高层建筑的数量和规模也不断增加与扩大。由于高层建筑建设的特殊性，在建设过程中使用的技术也较为复杂，尤其是混凝土结构方面，一旦出现结构问题就很容易导致整个建筑出现安全隐患，造成开发商的经济损失，严重时还有可能出现安全事故，危及人们的生命安全。因此，技术人员应该严格按照相关规范进行建设施工，才能保障建筑的质量和安全。

1.做好高层建筑混凝土结构设计优化的重要性

    对于高层建筑工程建设而言，对混凝土框架结构进行合理设计与优化，能够有效实现高层建筑使用价值、经济价值与环保价值的大幅提升，并且对高层混凝土结构设计进行优化，能够在确保建设质量的前提下，减少建设资金投入，实现对工程预算的有效控制。较之一般的混凝土结构设计，经过优化后的设计除了能够为项目业主带来更高的经济效益，还能使用户获得最佳使用体验[1]。优化结构设计，能够实现对施工材料、设备、人员、资金等的优化配置，提高资源利用效率，在实现建筑结构优化的同时，更好地对施工进行有效指导。通常，建筑层数越高，建筑面积越大 ；建筑工程稳定性、可靠性要求越高，建筑单位面积建造成本越大。设计人员可通过结构优化，找到相关影响因素的平衡点，进而实现建筑工程建设价

值的最大化。

2.高层建筑混凝土结构优化设计方法研究

2.1建筑单元结构布局设计优化方法

    高层建筑主要结构由各个相对独立的结构单元构成，在设计方面也是如此。采用独立结构设计优化的方式，能够使高层建筑混凝土结构设计变得更为简单、直观。在单元结构设计过程中，采用的是简单、规则的片面设计形式。设计人员应将平面整体长度与突出长度部分控制在合理范围内，确保结构的承载力、刚度等分布均匀，避免出现局部负荷过大而影响结构稳定性。在竖向结构设计上宜采用规则、均匀的设计形式，进而更好地控制建筑出现的外挑与内收问题。

2.2平面结构优化设计方法

    设计人员在对高层建筑混凝土结构进行设计过程中，必须对剪力墙结构平面布局设计予以高度重视。通过对剪力墙平面结构优化设计，确保高层建筑整体结构受力稳定、均匀，使建筑整体不会在侧向力影响作用下出现位移失控现象。在对平面结构进行优化设计过程中，必须注意对高层建筑基本结构功能的详细分析，并以满足这些基本功能为前提，实现对剪力墙结构的集中化、均匀化设计。尤其注意恒载较高，或者是平面形式变化较大的剪力墙，应尽可能缩小其间距，确保平面结构良好稳定性。

2.3截面优化设计方法

    高层建筑混凝土结构设计极为复杂，因而设计的细节之处更能体现出整体设计的安全性、可靠性。在截面优化设计过程中，设计人员必须基于对建筑截面的科学、准确、合理计算，在确保截面结构安全、稳定的同时，有效提升建筑的美观性。限元法是在高层建筑混凝土结构截面优化设计中较为常用的方法，能够准确计算设计变量应力特点及可能出现的位移情况，借助信息化系统进行设计验算，进而获得准确的设计数据，确定截面设计调整范围，更好地实现范围允许的截面优化设计[2]。

3.高层建筑混凝土结构优化设计的缺陷

3.1设计内容较为复杂

    相比于国外高层建筑发展经验，国内高层建筑的发展历程比较短，高层建筑混凝土结构在设计方面缺乏相应的理论实践支持，且和我国具体要求相适应的建筑混凝土结构设计软件技术也相对缺乏。在高层建筑混凝土结构设计优化中有很多的不定因数，并且结构比较复杂，由于变量因数较多，目前的软件技术很难实现因变量与主变量的区别，只可以得出相对应的最优解，阻碍建筑混凝土结构设计优化的进一步发展。

3.2过多优化结构尺寸

    以高层建筑结构材料性价比、负载能力以及几何形状既定的情况为基础，结构设计人员可以把和设计条件相适应的最优化结构截面算出来，但在很大程度上也忽略对建筑结构整体的优化工作。事实上，高层建筑混凝土结构设计优化中最为重要的内容之一就是形状优化。

现在很多建筑混凝土结构设计人员有一个错误的想法，只要设计方案科学合理，结构设计准确，就可以通过计算机软件准确计算出结构尺寸的数据，实际上并不能实现结构尺寸优化的目标，也很难确保建筑混凝土结构设计方案的最终水平和质量。

4.高层混凝土结构优化设计的相关措施研究

4.1设计过程优化对策

    设计过程优化主要包括建筑方案设计阶段、扩初设计阶段、施工图纸设计阶段。在建筑方案设计阶段，主要是评价待选建筑方案可行性，通过对多个结构设计方案进行分析、比较，进而选择最优方案。在扩初设计环节，主要是对各个部分的设计结构进行经济、技术分析，进而形成完整的分析报告，分析报告经业主审核批准之后方可应用于设计，分析报告中通常包括基础选型分析、顶底板分析、结构转换层分析等内容。施工、监理等相关单位必须对超限审查报告作出优化修改，同时协助设计单位做好超限审查，直到审查合格为止。在施工图设计环节，施工单位应向设计单位明确结构计算荷载、配筋的参数要求，尤其是对梁、板、墙柱等结构各部位配筋原则及构造要求等进行明确，同时，协助设计单位做好施工图审查工作

[3]。

4.2剪力墙设计对策

    对于高层混凝土结构优化设计而言，剪力墙设计也是其中较为重要的环节。首先，应在剪力墙端部位置设置端柱等相应边缘构件，发挥对结构的稳定、约束作用。若是高层建筑出现较大的层间位移和顶点位移，或者位移趋势时，可以通过加大柱体横截面积来发挥和提高约束柱的约束作用。

4.3耐久性方面设计对策

    耐久性设计是高层建筑混凝土结构优化设计重要内容之一。许多设计单位在对高层建筑混凝土结构进行设计过程中，未能对建筑周边环境影响进行充分考虑，导致了混凝土结构性能可靠性不足问题。可见，高层建筑混凝土结构设计优化，必须实现对材料及造价的集中控制，确保混凝土结构设计与材料配比设计充分符合标准要求，进而确保混凝土结构设计的耐久性充分满足相关规定要求。随着人们生活质量与生活要求不断提高，人们在高层建筑方面的居住要求也越来越高，也越加凸显了混凝土结构耐久性设计的重要性，设计单位应基于建筑使用要求，提升高层混凝土耐久性设计水平，为人们营造更好、更优质的居住条件。

4.4提高结构体型选择合理性

    对于高层建筑混凝土结构设计而言，必须做好对独立结构单元、平面形状，以及结构各部分刚度与承载力的分析、计算、设计，这是确保高层建筑混凝土结构设计稳定性、安全性的重要保障。首先，在独立结构单元设计方面应准确划分单元结构，从实用性、美观性等方

面进行结构布局设计。其次，在平面结构形状设计方面，遵循简单、规则性原则，合理控制长度，凸出不宜过大 ；在竖向形状设计上应保持规则、均匀，不可出现外挑与内收过大问题。最后，在刚度与承载力优化设计方面，应确保刚度、承载力分布高度均匀，不可使用竖向布置不规则、不合理的结构设计。在结构体型选择设计时，应对结构概念予以高度重视，并将其贯彻在设计与建设的整个过程，进而保证高层混凝土结构在满足实用美观性的同时，在平面与竖向实现简洁、规则，并且具备合理刚度与承载力。

4.5减少施工缝，对结构平面进行优化

    建筑混凝土结构平面的确定对高层建筑结构的设计有着重要的影响，其质量对高层建筑的综合性能有着直接影响，因此设计人员要按照具体的建筑要求来合理设计建筑结构的平面。对于高层建筑中的每个独立结构单元来说，要确保建筑结构平面形状的简单性、规则性和对称性，便于均匀承担高层建筑混凝土结构所负担的承载力和刚度等压力；高层建筑的平面不宜过长，高层建筑的突出部分也不宜过大；要确保高层建筑的竖向体型均匀性和规则性，控制内敛或者外挑的幅度，并且要保持混凝土结构侧向刚度下大上小的均匀变化形式，禁止选择竖向结构非常不规则的方式。经实践表明，如果高层建筑的平面结构和竖向结构布置的比较规则、均匀和简单，为之后相应的各种指标校核和检验也会带来便利，确保建筑混凝土结构各项性能符合标准，最大限度发挥建筑结构的功能。

5.高层建筑未来发展应用趋势

5.1广泛应用新型材料

    伴随科学技术水平的不断进步与提高，研发出了大量具有较高性能的新型材料，从很大程度上改善了传统混凝土材料强度不够以及韧性较差的缺点。广泛应用高强度混凝土材料可以在一定程度上减少高层建筑结构施工中的关键构件尺寸，进而减少结构自身的重量，确保混凝土结构的安全性与稳定性。

5.2推广应用消能减震和隔震设计

    在目前的建筑混凝土结构设计方面，大多采取延性结构预防地震，通过控制混凝土结构物的刚度，在地震作用下，允许混凝土结构构件自行处于非弹性状态，并以延性水平为基础最大程度的消耗地震能力，以此来减弱地震破坏力对建筑结构所带来的危害。在高层建筑混凝土结构中，减震作用的有效发挥起决定作用的是预先设计出合理的被动耗能装置，便于将一定的附加刚度提供给建筑物混凝土结构，从而消耗掉结构构件需要承受的那一部分地震伤害，以便降低混凝土结构中的动力反应，最终有利于降低高层建筑混凝土结构中的损伤和变形程度[4]。

5.3智能建筑技术的发展

    随着高新技术产业和当代建筑技术的不断融合为智能建筑的兴起与发展带来更多机会，智能化建筑已经成为当前高层建筑领域中主要发展方向与趋势。智能建筑技术的组成要素主要包含四个方面，分别为装备、建筑、经营以及服务，以上四个要素一定要相互联系以及分别优化，从而获得最佳搭配，得到具备功能较高、舒适度较高以及效率较高的高层建筑。当代智能建筑应当包含装备、设备自动管理系统以及通讯网络系统在内主要系统技术，并通过应用现代4C技术，组成一个完整的智能化建筑结构系统，为社会人民群众带来一个安全舒适的生活和工作环境。伴随智能建筑技术的快速发展，建筑设计人员一定要大力重视智能建筑中基础因素之间的联系，通过最合理的设计方案来满足社会大众多样化的功能需求。

6.结束语

    综上所述，建筑行业的发展不但是推动我国经济增长的重要力量，也关乎了民生问题，是广大民众住房基本的需求，关系人们居住的安全。因此优化高层建筑混凝土结构是一项非常重要的工作，针对当前高层建筑混凝土结构设计存在的问题，相关人员必须引起高度重视，结合工程实际情况和规章制度，积极应用先进建筑技术与合理的设计方案，优化设计，确保高层建筑的稳定与安全，促进我国建筑行业的快速发展。

【参考文献】

[1]周晶芳.某钢筋混凝土框架结构的优化设计[J].低温建筑技术,2016,38940:90-92.

[2]窦鹏.浅论型钢混凝土框架结构优化设计方法[J].建材与装饰,2016,2(2):82-83.

[3]吴桂广.高层混凝土结构优化设计方法探讨[J].建筑结构,2016,46(21):51-58.

[4]万银生.高层混凝土结构优化设计方法探讨[J].工程技术,2017,11(1):41.