对高层建筑混凝土结构优化设计进行优化分析

对高层建筑混凝土结构优化设计进行优化分析

徐节泠 许倩

浙江虹图建筑设计有限公司 浙江 杭州 310051

摘 要：随着城市化建设进程的加快，高层建筑大量涌现，并保持着逐年增加的态势，建筑形式日趋多样化和复杂化，这无疑对高层建筑结构设计人员提出了新挑战。本文主要分析了高层建筑混凝土结构的优化设计，以有效提高高层建筑建设水平，从而进一步推动城市化发展。

关键词：高层建筑；混凝土结构；优化设计

在我国大力开展城市化建设的背景下，建筑业的发展越来越受到人们的重视。建筑业是促进社会发展的重要支柱产业之一，近年来高层建筑在各地逐渐成为主要的建筑形式，有效提高了土地利用率。高层建筑的结构较为复杂，其中混凝土结构的设计与高层建筑的稳定性密切相关，因此优化混凝土结构设计具有重要意义。在这种情况下，必须注重合理优化设计方案，充分体现混凝土结构设计的核心价值，以满足高层建筑的使用需求。

一、高层建筑混凝土结构设计的基本原则

（一）安全性

无论什么类型的建筑，安全始终是必须具备的性能，只有确保建筑物的安全性，才能充分发挥建筑的功能价值。特别是对于高层建筑而言，由于建筑物层高的特殊性，这类建筑的受力条件不同于多层建筑，而且面临的安全隐患因素较多，建筑后期使用人口密度大，一旦发生灾害，严重危及人们的生命财产安全^[1]。因此，为了使高层建筑正常使用，混凝土结构设计必须满足建筑安全性的要求，以达到投入使用的标准。

（二）可靠性

建筑工程都有其使用年限要求，高层建筑混凝土结构设计有必要结合建筑的使用功能，有效地进行整体和局部设计。混凝土材料的性能直接影响到高层建筑的使用年限，在混凝土结构设计过程中应注意材料的选择，合理设计各项参数，以确保材料符合整体结构可靠性的要求。

（三）适用性

高层建筑为人们的生活、工作等活动提供服务，混凝土结构的设计应充分考虑建筑功能的适用性，合理规划室内空间布局。在布置梁、柱过程中，需要综合分析是否会影响建筑室内使用面积，满足采光、通风等条件，以为使用者打造舒适的环境^[2]。此外，高层建筑的基础类型关系到建筑整体的功能、安全和成本，因此需要选择适用的基础方案。

2. 高层建筑混凝土结构优化设计要点

1. 合理选择基础类型

高层建筑的基础承受上部结构的全部重量，因此合理选择基础类型尤为关键。类型的选择应根据现场地质、水文等勘察数据，以及高层建筑的使用功能进行综合分析。如果建筑层数较少，对荷载要求较小，且施工场地地质条件良好，可以选择条形基础、独立基础等形式；如果建筑层数较多，对荷载要求较大，可以选择桩基础形式，提高基础承载力。

（二）平面结构合理布置

高层建筑必须具有良好的抗震性能，平面结构设计是影响建筑抗震性能的主要因素之一。在平面结构设计中，需要结合规范标准、使用需求等，使建筑物达到抗震标准。一般来说，平面结构设计多采用对称、规则等设计形式，可以有效缓解地震能量，减轻建筑物所受的地震破坏^[3]。另外，顶部塔楼结构、多塔结构也是比较常见的设计形式，可以满足高层建筑的使用需求。无论采用哪种结构设计，都应进一步完善平面结构设计，严格遵循设计标准要求，使高层建筑具有良好的抗震性能。

（三）单元结构系统优化

在高层建筑混凝土结构设计中，要确保结构的可延性，合理在构件中使用塑性铰，以避免重要构件的破坏。对于高层建筑的各个独立结构单元，需要具有一定的对称性，以便更好地承受混凝土结构的荷载。在优化构件截面时，既要考虑安全性，又要考虑经济性，应在满足构件截面尺寸和结构安全要求的基础上，选择性价比较高的构件，以提升综合效益。在受弯结构体系的设计中，可以按照增加宽度的三次方比例减小侧移宽度，使阻力臂增大，抗倾覆阻力减小，有效提高结构的抗侧刚度。在设计高层建筑地下室结构时，嵌固端置于结构顶板处，容易对整个结构产生不良影响，应优化这一部分设计，充分考虑楼板结构缝的位置，以避免因设计不规范而造成的结构缺陷，确保整体结构具有安全性。

（四）提升剪力墙结构效果

为了实现剪力墙结构的优化设计，需要在严格设定结构承载力的基础上，根据主体结构的抗变形效果进行优化设计。首先，设计人员要对剪力墙的构件进行深入研究，并对其延性、刚度进行计算，以增强剪力墙的支承强度。其次，结合高层建筑整体结构的减震、隔震设计，优化剪力墙结构的设计，使高层建筑支座弹塑性层间的位移角始终在标准范围内。最后，进一步优化钢筋混凝土结构设计，使其刚度参数提高。

（五）严格控制混凝土性能

混凝土是高层建筑的主要施工材料，其参数性能直接影响建筑整体质量。因此，在高层建筑混凝土结构优化设计过程中，有必要优化处理混凝土的参数性能，获得最佳的配比。一般选用市场上标准的建筑施工普通桂酸盐水泥，结合现场施工所用设备，设计合理的搅拌方法。同时，对各种骨料的含水量和体径进行测定，以控制砂石的使用量。在原料配制过程中，按砂-水泥-石-水的顺序投料，确保材料充分搅拌

^[4]。在高层建筑混凝土结构中，大体积混凝土的浇筑无法避免，需要优化设计混凝土的水灰比和塌落度，提升混凝土性能，防止出现附加应力问题，避免大体积混凝土裂缝的出现。应该注意的是，如果施工是在冬季进行，有必要设计防冻措施，做好保温、保湿养护，避免混凝土表面出现开裂。

（六）重视薄弱层结构设计

在高层建筑混凝土结构设计中，薄弱层是设计优化的关键。在地震和其他外力作用下，高层建筑的薄弱层会出现凹陷、变形等，导致整体结构出现较大的破坏。因此，有必要对薄弱层进行优化设计，避免上述情况的发生。首先，改善建筑物整体结构的稳定性，以减少外力对薄弱层的影响。其次，提高结构竖向刚度的连续性，避免出现薄弱层，以减少建筑物的安全风险。最后，根据建筑物的实际情况，调整软弱层的安全规范标准，增强薄弱层的安全性能。

（七）加强抗震性能优化

在高层建筑混凝土结构的优化设计中，应注重提升建筑整体的抗震性能。混凝土结构中的悬臂杆有剪切型、弯曲型和弯剪型三种，剪切型容易使楼板结构失稳，需要进一步进行优化设计。在框架梁柱中，由于双曲率弯曲容易引起侧向位移，因此需要优化设计临界荷载。具体而言，有必要采用荷载效应标准检验地震作用的影响，确定裂缝和变形的最大限度。通过综合考虑混凝土材料强度和配筋率，将结构荷载按时间变异性分为三种，包括永久荷载、可变荷载和偶然荷载，按取值标准确定荷载。如果发现薄弱层需要考虑刚度突变问题，采取加固措施优化结构。为了提高楼板的抗倒塌、抗塑性变形能力，应加强受压构件的极限分析，根据验算获得抗震系数，并结合高层建筑抗震设计案例，优化建筑物的平立面设计，确保转换层结构在刚度方面能够均匀分布。在优化结构的延性过程中，可以通过提高梁柱端剪力或柱抗弯承载力，使梁端比柱端更早地发挥塑性作用，使整体结构具有良好的稳定性。

结束语：

综上所述，高层建筑混凝土结构设计应摒弃传统的设计理念，充分考虑可能影响高层建筑使用功能的因素，完善现有的设计体系，满足业主的使用需求。因此，在开展高层建筑混凝土结构设计工作中，应按照结构设计的安全性、可靠性、适用性等基本原则，有效优化平面结构布置，严格控制混凝土性能，提升剪力墙结构效果，充分保障高层建筑的使用功能。

参考文献：

[1]廖文杰.探索高层建筑混凝土结构优化设计分析[J].建筑与装饰,2021(9):17.

[2]赵鑫.高层建筑混凝土结构优化设计分析研究[J].工程建设与设计,2020(5):18-19,43.

[3]张磊.高层建筑混凝土结构优化设计分析研究[J].商品与质量,2020(52):79.

[4]王利美.高层建筑混凝土结构优化设计分析研究[J].中国房地产业,2020(9):84.