浅议高层混凝土结构优化设计方法

浅议高层混凝土结构优化设计方法

王新黎

机械工业第四设计研究院有限公司 河南 洛阳 471000，

摘要：在建筑高度持续增加的当下，以往设计方法所能发挥作用变得十分有限。文章以高层建筑为研究对象，在对混凝土结构需要遵循的设计原则进行总结的基础上，围绕优化设计工作可采取的方法展开了讨论，具体内容涉及优化建筑布局、优化截面设计等方面。希望能给相关人员以启发，为日后设计工作的有序开展提供理论支持。

关键词：高层建筑；优化设计；混凝土结构

前言：随着生活质量的提高，人们对住房所提出要求变得更加严格，高层建筑占比持续加大。对高层建筑、普通建筑进行设计施工的区别，主要体现在结构设计方面，事实证明，只有保证混凝土结构可靠且安全，才能最大程度避免建筑存在安全隐患，高层建筑所具有优势自然能够得到充分发挥。如何充分利用现有技术手段，对高层内部的混凝土结构进行科学设计，现已成为业内人士关注的焦点，围绕该话题展开讨论，其现实意义有目共睹。

1高层混凝土结构的设计原则

一般来说，建筑高度越高、面积越大，对其结构所具有可靠性及稳定性所提出要求越严格，有关人员可根据实际情况对结构进行优化，使各影响因素处于相对平衡的状态，由此来达到对施工成本加以控制的目的。在实际工作中，应严格遵守以下设计原则：

1.1可靠性

实践所积累经验表明，在前期设计环节，有关人员应做到科学控制材料的选用，同时酌情引入先进技术，确保各施工要素均处于可控状态下，只有这样才能避免建筑安全性或是可靠性受到不必要的影响。此外，在优化结构设计时，有关人员同样应当遵循安全性原则，通过对结构类型、结构布局及截面大小进行不断优化设计，保证建筑外观、功能等各方面性能均可达到业主方要求。

1.2安全性

作为国内建筑领域经常使用的结构类型，混凝土结构的优点主要是具有理想的硬度及刚度，整体性良好，位移小，整体造价较低，同时对高温等恶劣环境具有良好的抵抗力^[1]。在相关技术持续发展的背景下，该结构所使用材料及技术均较以往更加先进，将其应用于高层建筑是大势所趋。而在设计建筑结构期间，有关人员还应对其安全性引起重视，在以人为本理念的指导下，严格按照现行标准完成结构预设等工作，保证所设计结构能够达到预期水平。

1.3实用性

高层建筑性质较为特殊，对其内部结构进行设计时，有关人员应对可给其安全性、功能性产生影响的因素进行综合分析，同时根据现场情况确定内部空间布局，真正做到以实用性原则为导向，有序开展结构设计相关工作，以此来达到对其结构性能进行提高的最终目的^[2]。

2高层混凝土结构的优化要点

根据高层建筑特点与需求，科学设计其内部混凝土结构，一方面可使建筑在经济、环保还有使用方面所具有价值得到实现，另一方面可在确保建筑质量符合预期的前提下，使其施工成本得到控制。在开展相关工作时，有四方面内容需要引起重视：

2.1优化建筑布局

高层的主体结构可被拆分成多个结构单元，各结构单元均独立存在。对其进行设计时，有关人员应优先选择独立设计法，分别计算并设计各部分承载力、刚度，这样做既能够保证结构安全且稳定，又可使设计效果得到直观展示，日后对其进行优化的难度也会有所降低。

现将设计方法归纳如下：其一，对单元结构进行设计时，应保证单元结构划分准确，兼具理想的美观性还有实用性，并严格控制平面长度还有突出部分，保证结构刚度以及承载力均能够得到均匀分布，以免由于负荷分布不均，导致结构稳定性受到影响^[3]。其二。对竖向结构进行设计的原则可被概括为“均匀”和“规则”，旨在对此类建筑常见的内收、外挑问题进行有效规避。其三，对承载力或是刚度进行优化的关键是保证其分布均匀，这就要求有关人员在设计结构的环节，对结构需要达到的要求引起重视，只有这样才能使设计成品兼具简洁性、美观性以及良好的承载力和刚度。

2.2优化截面设计

高层建筑内部结构往往较普通建筑更加复杂，对混凝土结构进行设计的难度有目共睹，要想使结构更加可靠且安全，关键是要对细节引起重视。对截面进行设计时，有关人员应以所掌握资料为依据，对各部分施工参数进行计算，既要保证结构稳定、安全，还要赋予建筑自身更为理想的观赏性。一般来说，对于结构受力相对复杂的节点、大开洞、跃层、异形板等，可采用有限元法，根据结构的受力特点、关键部位和薄弱部位进行验算，并以计算结果为依据，对设计方案加以调整，确保施工效果达到预期^[4]。

2.3优化平面结构

高层建筑的平面结构将给其稳定性产生直接影响，甚至会使抗震性能受到影响。在前期设计阶段，有关人员应以现行设计规范为依据，结合现场情况确定设计方案，同时要对不同材料给抗震性所产生影响加以考虑，根据项目总高度及层数对其抗震等级加以确定。除特殊情况外，均可采用对称结构，这是因为对称结构一方面可使抗震性能得到提升，另一方面可抵消部分地震所释放能量，降低地震给建筑所造成影响。若项目计划采用多塔结构或其他不规则结构，则需要有关人员以振型数为依据，对设计数据进行精准计算，在保证设计需求得到满足的前提下，使混凝土结构在可靠性、抗震性方面的表现最大程度接近预期。

此外，对平面结构进行设计时，还应对剪力墙引起重视。研究表明，侧向力往往会给建筑整体稳定性造成影响，高层建筑受水平荷载影响较大，在对其结构进行设计时，有关人员应重点考虑地震力、水平荷载等因素，具体做法如下：通过优化其平面结构的方式，保证建筑各部分结构的受力均匀且稳定，避免建筑受侧向力影响而出现位移或类似问题。在此期间还应对结构功能进行分析，在保证各项功能得到满足的基础上，以均匀化和集中化为原则，有序开展结构设计的工作，在其端部增设端柱或是其他构件用来约束结构，增强结构稳定性^[5]。对于形式多变或恒载偏高的剪力墙，有关人员应酌情对其间距进行缩小，由此来保证其结构具备应有的可靠性。

2.4重视建筑薄弱层

对高层建筑进行建设期间，根据现场情况优化混凝土结构，可使建筑在经济性、环保性和使用性方面所具有价值得到大幅提高，真正做到以保证建筑质量为前提，通过对资金投入加以控制的方式，使建筑所带来使用体验、经济效益达到预期。

对高层建筑而言，其薄弱层极易被外界因素所影响，一旦有地震或类似事故发生，便有较大概率出现变形情况，进而使混凝土结构受到负面影响。若建筑竖向结构存在刚度不连续的情况，同时其刚度值未达到行业标准，则表示该项目存在薄弱层，在开展设计工作时，有关人员应对薄弱层引起重视，比对现有设计方案并对细节加以调整，由此来达到对该部分结构所具有安全性进行提升的目的。此外，在开展后续施工时，有关人员同样应对混凝土结构加以调整，确保各构件均能够达到有关要求，避免给建筑整体所具有抗震性造成不利影响。

结论：综上，对高层内部混凝土结构进行设计的难度较大，一方面要考虑建筑应当具备的功能，另一方面要为其安全性以及稳定性提供保障。鉴于此，有关人员可通过优化薄弱层设计、对平面结构进行科学布置等方式，对设计方案进行优化，随着结构抗震性得到增强，项目质量及性能自然可达到预期水平。

参考文献：

[1]王文静,李志武,于春义,等.高层装配式混凝土住宅的全专业,全产业技术集成方法研究[J].施工技术,2020,49(11):6.

[2]陈志鹏,吴刚,冯德成,等.混凝土盒式结构体系在高层及超高层结构中的应用及性能分析[J].建筑结构,2020(2):7.

[3]邵田东, 张春明.民用高层建筑多层钢-混凝土结构抗震性能分析[J].地震工程学报,2020,42(1):10.

[4]纪晗,王杰,张威,等.超高层公寓楼结构体系选型及大偏心节点分析[J].建筑结构,2020,50(8):7.

[5]刘付钧,李盛勇,李定乾,等.免模装配一体化钢筋混凝土结构体系关键技术开发及研究[J].建筑结构,2020,50(4):5.