高層混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法探究

韓 凱

南京市建筑市場監(jiān)督站

1 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，國家經(jīng)濟(jì)得到了長足的發(fā)展，但是城市內(nèi)可供開發(fā)利用的土地資源越來越少，此時高層建筑的興起解決了城市土地資源不足的難題，能夠充分滿足城市發(fā)展的需求。經(jīng)過多年的建設(shè)發(fā)展，城市的高層建筑已經(jīng)逐漸發(fā)展成為一個城市繁榮程度的象征，在城市發(fā)展中占有重要的地位。但是，由于高層建筑建設(shè)的特殊性，在建設(shè)過程中使用的技術(shù)也較為復(fù)雜，尤其是混凝土結(jié)構(gòu)方面，一旦出現(xiàn)結(jié)構(gòu)問題就很容易導(dǎo)致整個建筑出現(xiàn)安全隱患，造成開發(fā)商的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重時還有可能出現(xiàn)安全事故，危及人們的生命安全。因此，技術(shù)人員應(yīng)該嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行建設(shè)施工，才能保障建筑的質(zhì)量和安全。

2 高層混凝土結(jié)構(gòu)類型分析

2.1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是建筑工程中主要使用的結(jié)構(gòu)之一，使用鋼筋與混凝土灌注等方式構(gòu)造而成，由于此結(jié)構(gòu)具有硬度高的特點(diǎn)，一般作為建筑工程中重要的承重構(gòu)件。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有整體性好、耐高溫、位移小、成本低以及剛度大的特征。隨著我國建筑技術(shù)與材料技術(shù)的不斷發(fā)展，我國在鋼筋混凝土的發(fā)展方面也顯示出創(chuàng)新的趨勢，技術(shù)手段的進(jìn)步更加增強(qiáng)了混凝土材料的功能性，越來越多的高層建筑結(jié)構(gòu)中都增加了對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。

2.2 組合結(jié)構(gòu)

單純的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用的鋼材成本較高，如果在建筑中只使用這樣的結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致建設(shè)成本的浪費(fèi)，因此組合結(jié)構(gòu)也是高層建筑工程常用的一種結(jié)構(gòu)。組合結(jié)構(gòu)指的就是鋼筋混凝土與砌體結(jié)構(gòu)組合構(gòu)成的建筑結(jié)構(gòu)。組合結(jié)構(gòu)在應(yīng)用的過程中與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比顯示出一定的差異性，混凝土結(jié)構(gòu)具有較高的科技含量，能夠提高建筑的穩(wěn)定性，而組合結(jié)構(gòu)中通過混凝土的填充能夠提高建筑物的整體承載能力，節(jié)省鋼材的成本?？偟膩碚f，組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用更加廣泛，利用率更高。

2.3 智能建筑結(jié)構(gòu)

智能化建筑結(jié)構(gòu)是新技術(shù)時代發(fā)展的一種新型建筑結(jié)構(gòu)，目前在高層建筑中的應(yīng)用還比較少，這也是一種融合了高新技術(shù)的建筑結(jié)構(gòu)。隨著我國科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，人們對于建筑結(jié)構(gòu)也提出了更高的要求，技術(shù)人員力求通過科學(xué)技術(shù)手段的運(yùn)用創(chuàng)造智能型的建筑結(jié)構(gòu)，提升建筑的穩(wěn)定性和安全性，為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

3 高層混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則

3.1 安全性原則

安全性是高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首要原則，技術(shù)施工人員應(yīng)該在結(jié)構(gòu)預(yù)設(shè)之前充分考慮安全問題，堅(jiān)持以人為本，嚴(yán)格遵守混凝土結(jié)構(gòu)安全性標(biāo)準(zhǔn)，明確高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)與價值，充分保證建筑的安全性，同時滿足相關(guān)的設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)要求，提高設(shè)計(jì)的安全性與合理性。

3.2 適用性原則

由于高層建筑的特殊性，因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時應(yīng)該綜合多種因素對建筑的功能性與安全性進(jìn)行分析和考慮，同時對高層建筑的內(nèi)部空間進(jìn)行詳細(xì)的構(gòu)思，綜合分析建筑的功能，堅(jiān)持適用性的原則，在設(shè)計(jì)過程中結(jié)合高層建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與功能需求進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高高層建筑的結(jié)構(gòu)性能。

3.3 可靠性原則

對于高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)來說，其建筑的使用年限與建筑材料、技術(shù)、工藝等方面都有聯(lián)系，因此，技術(shù)施工人員應(yīng)該在建設(shè)的過程中對建筑材料進(jìn)行有效的控制，同時采用高科技的建筑技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)建設(shè)，增加對施工各要素的綜合控制，才能有效提升高層建筑的可靠性與安全性。尤其是在后續(xù)混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)期間，技術(shù)人員還應(yīng)該堅(jiān)持安全性的原則，不斷提高建筑的結(jié)構(gòu)可靠性，滿足建筑的功能需求[1]。

4 高層混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

4.1 重視側(cè)向力的影響

建筑中側(cè)向力會對建筑的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響，一般體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)內(nèi)力、結(jié)構(gòu)變形以及土建造價等方面。對于低層建筑來說，側(cè)向力主要包括建筑物的自身承重、活載以及地震之類的水平力，因?yàn)樗胶奢d對于建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響很小，因此在建筑設(shè)計(jì)的時候可以忽略。對于多層建筑以及高層建筑來說，水平荷載的影響力會更大些，因此對于高層混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，水平荷載與地震力都是其設(shè)計(jì)考慮的重點(diǎn)[2]。

4.2 保持結(jié)構(gòu)的剛度

對于高層建筑來說，其高度的增加將會加大建筑的側(cè)向位移程度。因此，技術(shù)人員在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時候除了考慮結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，還應(yīng)該重視結(jié)構(gòu)的剛度，這樣才能夠保證結(jié)構(gòu)處于合理的自振頻率中，同時還能夠?qū)λ搅ψ饔孟碌膶游灰品秶M(jìn)行有效控制。

4.3 增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的延性

由于高層建筑結(jié)構(gòu)的樓層較高，相對于底層建筑而言，高層建筑承受的荷載要更大，出現(xiàn)地震現(xiàn)象對建筑的影響也更大。因此，抗震性能也是技術(shù)人員在進(jìn)行高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時需要考慮的問題，要想提高建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，可以從兩個方面入手，一個是建筑結(jié)構(gòu)的承載力，另一個就是建筑結(jié)構(gòu)的變形能力。高層建筑必須具有強(qiáng)大的變形能力才能夠增強(qiáng)自身的承載能力，減小地震對建筑本身的損壞。技術(shù)人員可以通過增強(qiáng)高層建筑結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度同時提高薄弱部位變形能力的方法提高自身的抗震能力，增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[3]。

5 高層混凝土結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

5.1 合理布置平面結(jié)構(gòu)

對于高層建筑來說，其平面布局結(jié)構(gòu)的設(shè)置將會影響建筑的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響建筑的抗震性能，而建筑的抗震性能是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最為重要的一點(diǎn)。技術(shù)人員在開展具體的設(shè)計(jì)工作時，應(yīng)該嚴(yán)格遵守高層建筑抗震設(shè)計(jì)的規(guī)范與原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時注意使用材料對建筑抗震性的影響，最后很久建筑的樓層和高度要求合理選擇抗震等級。通常情況下，使用簡單對稱的建筑結(jié)構(gòu)能夠有效提升建筑整體的抗震性能，同時還能夠消耗地震釋放的部分能量，緩解地震對建筑物的影響和破壞效應(yīng)。其次，對于不規(guī)則建筑結(jié)構(gòu)、多塔結(jié)構(gòu)以及頂部塔樓結(jié)構(gòu)等，技術(shù)人員還應(yīng)該注意掌握建筑的振型數(shù)，進(jìn)行嚴(yán)格的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算，在滿足建筑設(shè)計(jì)需求的同時提升高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性和穩(wěn)定性[4]。

5.2 充分考慮建設(shè)要求

由于高層建筑需要承受的自重壓力較大，因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)類型選擇的時候技術(shù)人員還應(yīng)該充分考慮施工區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境、水文情況，進(jìn)而形成科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。除此之外，高層建筑結(jié)構(gòu)的類型還會對建筑的安全施工以及成本產(chǎn)生直接的影響，因此技術(shù)人員應(yīng)該重視建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度對待自己的工作。如果建筑工程的層高較低，并且其建設(shè)區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境條件比較穩(wěn)定，就可以考慮選擇獨(dú)立基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與條形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)；如果建筑的層數(shù)較多，且施工區(qū)域存在較大的地質(zhì)問題，那么最好選擇樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)；如果建筑的層數(shù)較多，且施工區(qū)域內(nèi)地質(zhì)條件較為優(yōu)越的話，可以使用混凝土基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，提升建筑整體的穩(wěn)定性和承載能力[5]。

5.3 重視薄弱層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對于高層建筑來說，其薄弱層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是非常關(guān)鍵。因?yàn)楸∪鯇雍苋菀资艿酵饨缫蛩氐挠绊?，尤其是受到?qiáng)烈的地震作用后很容易出現(xiàn)形變的問題，從而給高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)帶來嚴(yán)重的影響[6]。因此，技術(shù)人員在進(jìn)行高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注建筑的薄弱層結(jié)構(gòu)，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化提高整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。如果高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)豎向結(jié)構(gòu)剛度不連續(xù)的現(xiàn)象，且樓層剛度數(shù)值低于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，就形成了結(jié)構(gòu)薄弱層。為了提高薄弱層的功能性，技術(shù)人員需要在設(shè)計(jì)的過程中調(diào)整其構(gòu)件設(shè)計(jì)，滿足安全標(biāo)準(zhǔn)的要求，提高高層建筑物的抗震性[7]。

6 結(jié)束語

綜上所述，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程較為復(fù)雜，不僅需要符合建筑的功能需求，同時還要保障建筑的穩(wěn)定性和安全性，因此，技術(shù)設(shè)計(jì)人員應(yīng)該通過合理布置平面結(jié)構(gòu)、充分考慮建設(shè)要求以及重視薄弱層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方法不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)容，從而提高高層建筑的抗震性，滿足建筑工程的整體需求。