關(guān)于高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的探討

郭彬彬 劉凱 蔣炳禮

摘 要：本文主要是結(jié)合筆者工作經(jīng)驗(yàn)闡述了結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，以促進(jìn)高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化完善。

關(guān)鍵詞：高層建筑；混凝土結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；安全

1 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法

1.1 健全單元結(jié)構(gòu)的布局設(shè)計(jì)

獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元設(shè)計(jì)，指的是高層建筑當(dāng)中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作一般都適合選取規(guī)則、簡(jiǎn)潔的平面形式。然而，平面的突出部分的長(zhǎng)度和整體長(zhǎng)度應(yīng)管控在適當(dāng)?shù)姆懂牣?dāng)中，并且有呈現(xiàn)出均衡分布的剛度、承載力。與此同時(shí)，豎向結(jié)構(gòu)宜選用規(guī)則、均勻的形式，從而確保建筑的內(nèi)收、外挑問(wèn)題能得到有效的管理與控制。

為此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)在制作結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案階段就以概念設(shè)計(jì)知識(shí)及其理念作參照，基于滿足建筑的美觀度及適用性之上開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，從而促使它的豎向布局與平面布局能均勻、簡(jiǎn)單、具有規(guī)則性，確保其承載力與結(jié)構(gòu)剛度分布合理，進(jìn)而防止建筑獨(dú)立結(jié)構(gòu)單位產(chǎn)生太集中的應(yīng)力或者塑性變形，所以掌握好建筑平面及豎向布置的連續(xù)性、均勻性、規(guī)則性，控制建筑物的長(zhǎng)寬比、高寬比、局部外伸尺寸等指標(biāo)盡可能滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3- 2010）的相關(guān)要求，是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)之根本。

1.2 優(yōu)化高強(qiáng)的混凝土與鋼筋使用

由于高層建筑建設(shè)得消耗大量鋼、混凝土等材料，因此如果鋼與混凝土的強(qiáng)度太大，會(huì)直接導(dǎo)致建筑材料造價(jià)超過(guò)限定范圍，與此同時(shí)還會(huì)提高其他構(gòu)件的造價(jià)，促使建筑建設(shè)的經(jīng)濟(jì)效益降低。

就以軟土地基之上的高層建筑設(shè)計(jì)作為實(shí)例，這類結(jié)構(gòu)地基由于承受了高荷載，因此為合理優(yōu)化好建筑當(dāng)中每一構(gòu)件的截面尺寸，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)對(duì)高強(qiáng)度的鋼筋與混凝土的使用進(jìn)行優(yōu)化，減小建筑結(jié)構(gòu)的重量，從而大大減小建筑中所有構(gòu)件的界面尺寸，減少工程地基處理工作的造價(jià)。

1.3 科學(xué)合理地設(shè)計(jì)剪力墻平面結(jié)構(gòu)

（1）高層剪力墻結(jié)構(gòu)的布置都應(yīng)盡可能遵循簡(jiǎn)潔、規(guī)則的原則，保證結(jié)構(gòu)的質(zhì)心與剛心接近，尤其是剪力墻的方案布置、墻肢的長(zhǎng)短等均應(yīng)合理。在剪力墻布置方案上必須要堅(jiān)持對(duì)稱、均勻、周邊、分散的原則，且墻片不宜過(guò)長(zhǎng)，剪力墻盡可能避免短肢和“一”字型抗震墻，組成“L”“T”字型，均勻布置在平面上，形成較大的筒體，同時(shí)盡可能削弱核心筒墻體剛度，加強(qiáng)周邊墻體布置，組合成合理的形狀，達(dá)到整體剛度均勻， 同時(shí)墻體布置應(yīng)注意墻體剛度重心與平面質(zhì)量重心相接近。 （2）墻布置的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。應(yīng)盡量減少剪力墻數(shù)量，且各墻肢布置時(shí)應(yīng)考慮如何減少邊緣構(gòu)件，以期通過(guò)布置較少的抗側(cè)力構(gòu)件獲得滿足規(guī)范要求的抗側(cè)、抗扭剛度。如小高層剪力墻結(jié)構(gòu)，由于建筑結(jié)構(gòu)高寬比小，剛度大，抗震墻布置盡可能兩三間布置一道，用跨高比較大的連梁聯(lián)系在一起組成剛度較弱的聯(lián)肢梁，從而降低總體剛度、加大層間位移，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

1.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)女兒墻

在設(shè)計(jì)屋面高大的女兒墻的過(guò)程中，因?yàn)楹茈y直接地加入到高層建筑主體結(jié)構(gòu)的探索隊(duì)伍中去，所以一定要開(kāi)展周密、嚴(yán)格的計(jì)算工作，從而求算出精確的女兒墻的自重。假使女兒墻不高但也能達(dá)標(biāo)，那么其給建筑結(jié)構(gòu)安全帶來(lái)的影響會(huì)比較小。假使女兒墻的高度在上升過(guò)程當(dāng)中會(huì)出現(xiàn)較為明顯的風(fēng)荷載效應(yīng)及地震荷載效應(yīng)，那么其也許會(huì)給建筑結(jié)構(gòu)的安全性造成一定的影響。事實(shí)上，當(dāng)女兒墻高度值較大時(shí)，務(wù)必要選取專業(yè)的軟件以及科學(xué)合理的手段把其承受的水平荷載求算出來(lái)，而針對(duì)配筋的求算則需參考支承于屋頂?shù)膽冶郯?，并使用雙層鋼筋。

1.5 混凝土結(jié)構(gòu)的干縮變形控制

在國(guó)家制定的有關(guān)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中層明確規(guī)定：建筑室內(nèi)現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)的伸縮縫間距一定要不超過(guò)55mm，但是現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)的伸縮縫間距則與之不同，其得不超過(guò)45mm。事實(shí)上，在室外要嚴(yán)控混凝土結(jié)構(gòu)的伸縮縫，并遵循以下幾大設(shè)計(jì)要求：（1）結(jié)構(gòu)控制：采用合理、科學(xué)布局混凝土后澆帶的設(shè)計(jì)方案以有效處理好高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的干縮變形問(wèn)題。換言之，就是把大樓板面積等額分成幾個(gè)小區(qū)格，并依據(jù)一定秩序校準(zhǔn)小區(qū)格的混凝土，等到其干縮變形徹底完畢后，再校準(zhǔn)區(qū)格之間的預(yù)留區(qū)域內(nèi)的混凝土，從而順利地處理好混凝土結(jié)構(gòu)的干縮變形問(wèn)題；（2）干縮裂縫：在現(xiàn)澆混凝土的凝固硬化時(shí)往往會(huì)衍生出一定的收縮應(yīng)力，而建筑結(jié)構(gòu)當(dāng)中會(huì)產(chǎn)生不規(guī)則的或者規(guī)則的干縮裂縫。一般而言，建筑結(jié)構(gòu)形式的長(zhǎng)度值與干縮裂縫之間的關(guān)系成正比，形式愈長(zhǎng)，干縮裂縫愈大。

2 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)措施

2.1 結(jié)構(gòu)安全性

（1）設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)在保證建筑各項(xiàng)功能的同時(shí)，通過(guò)考慮結(jié)構(gòu)自身的抗震性能及外部人為因素可能造成的結(jié)構(gòu)破壞，有目的地將高層建筑的抗震等級(jí)提升。同時(shí)，還要從整體上，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性與牢固度，避免將磚砌體承重或者裝配式的混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用于高層的公用屬性較高的建筑中，而要優(yōu)先選取現(xiàn)澆的鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)。

（2）設(shè)計(jì)人員要從建筑建設(shè)過(guò)程中及投入應(yīng)用后的各個(gè)方面人手，綜合考慮其荷載變化的狀況，盡可能地將建筑結(jié)構(gòu)的荷載標(biāo)準(zhǔn)值與構(gòu)件承載力設(shè)置出較大的彈性裕度，并且為樓面等部位進(jìn)行額外的增加荷載的設(shè)計(jì)，以保證建筑在各級(jí)的地震與火災(zāi)等災(zāi)害中，都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于自身結(jié)構(gòu)安全的維護(hù)。

2.2 耐久性

（1）選擇良好的混凝土材料。設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)在保證混凝土材料的質(zhì)量與基本性能的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)從結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能、抗侵入性能、抗裂性能等幾個(gè)方面人手，選擇堅(jiān)固、耐久、潔凈的骨料，含堿量與水化熱反應(yīng)較低的水泥，減少對(duì)于硅酸鹽水泥與用水量的應(yīng)用，并適當(dāng)?shù)貙⒌V物摻合料加入到材料中。 （2）優(yōu)化結(jié)構(gòu)使用設(shè)計(jì)工作。高層建筑中的混凝土結(jié)構(gòu)物普遍包括多個(gè)構(gòu)件，每一個(gè)構(gòu)件所處的環(huán)境存在顯著的差別，這就決定了不同構(gòu)件具備的耐久性壽命存在差異，因此，設(shè)計(jì)人員要根據(jù)實(shí)際的使用環(huán)境，明確建筑中不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件的使用界限與注意事項(xiàng)。

2.3 抗震性

在結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)方面，要盡可能地選擇空間結(jié)構(gòu)以及平面布局簡(jiǎn)單規(guī)則的形式，作為建筑的整體結(jié)構(gòu)形式。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員還要通過(guò)進(jìn)行合理的布局，使建筑的質(zhì)量與剛度實(shí)現(xiàn)均勻平衡的分布。

而在平立面設(shè)計(jì)方面，設(shè)計(jì)人員可以將墻體設(shè)置為均勻?qū)ΨQ的形式，并提升樓梯或電梯的井筒等具備較高剛度的結(jié)構(gòu)布置的集中性，同時(shí)，將抗震墻設(shè)計(jì)為符合建筑結(jié)構(gòu)整體抗震需求的形式，以提升建筑平面結(jié)構(gòu)的抗震性能。

2.4 經(jīng)濟(jì)性

（1）剪力墻結(jié)構(gòu)剛度大，整體性好，用鋼量較省。在高層住宅中，開(kāi)間均較小，分隔墻較多，采用現(xiàn)澆剪力墻，可將承重墻減少，比較經(jīng)濟(jì)。另外，剪力墻外觀整齊，沒(méi)有露梁、露柱現(xiàn)象，便于室內(nèi)布置，因此在高層住宅中常采用現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)。 （2）剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題。剪力墻布置的數(shù)量與建筑物層數(shù)和抗震設(shè)防烈度成正比，層數(shù)越高、抗震設(shè)防烈度越高，剪力墻布置數(shù)量就越多，但不是剪力墻數(shù)量越多越好。剪力墻的布置數(shù)量及其組合形式與結(jié)構(gòu)總體剛度關(guān)系密切。如剪力墻結(jié)構(gòu)墻體越多，建筑物的重量越大，地震反應(yīng)也大，會(huì)造成浪費(fèi)；另外，剪力墻結(jié)構(gòu)墻體多為構(gòu)造配筋，如果配筋太低，則結(jié)構(gòu)延性差。

3 結(jié)語(yǔ)

總而言之，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)不是以降低結(jié)構(gòu)安全為代價(jià)，盲目減小截面及配筋去追求經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，而是結(jié)構(gòu)師根據(jù)工程特點(diǎn)，立足于具體的設(shè)計(jì)原則及要求，通過(guò)概念設(shè)計(jì)及一系列合理的技術(shù)措施，使得建筑安全可靠，技術(shù)合理、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)良。優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)成為每一位結(jié)構(gòu)師的習(xí)慣和追求。