高层建筑结构设计优化与施工措施探讨

刘凯 蒋炳礼 郭彬彬

摘 要：建筑工程建设中的基础材料混凝土既存在较高的结构强度、刚度及较长的安全性与耐久性等优势，同时也容易在外部环境因素与自身因素的影响下发生变形、裂缝、断裂等问题，建筑单位要想将混凝土的应用优势发挥地淋漓尽致就必须努力做好对于其结构设计的优化。尤其是高层建筑，其层数较多、空间结构的变化性较大，对安全性、耐久性及抗震性能的要求较高，在某种程度上其混凝土结构设计的优化更为重要。

关键词：高层建筑；混凝土结构；设计优化

1 高层住宅建筑结构优化设计方法

（1）限制结构平面布置的不规则性避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应。高层建筑混凝土结构技术规程435条规定：在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移，A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.5倍。抗震设计的A级高度钢筋混凝土高层建筑其平面布置宜简单、规则、对称、减少偏心。结构平面布置必须考虑有利于抵抗水平和竖向荷载，受力明确，传力直接，力争均匀对称，减少扭转影响。结构刚度不对称也会产生扭转。所以在布置剪力墙时，应使结构均匀分布，令荷载合力作用线通过结构刚度中心，以减少扭转影响。结构刚度不对称产生扭转时，通过增加墙厚来调整扭转效应效果不佳。高层剪力墙结构住宅中剪力墙影响刚度，而剪力墙为矩形截面，惯性矩为IZ=bh3/12，b为墙厚，h为墙长。剪力墙的长度对其刚度影响很大。首先分析哪部分结构刚度大，哪部分结构刚度小，增大刚度对结构有利，还是减小刚度对结构有利，通过增减剪力墙达到结构刚度均匀对称，满足高层建筑混凝土结构技术规程435条对最大水平位移和层间位移的要求。

（2）限制结构的抗扭刚度不能太弱。高层建筑混凝土结构技术规程435条规定：结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比，A级高度高层建筑不应大于0.9。扭转耦联振动的主方向，可通过计算振型方向因子来判断，在两个平动和一个转动构成的三个方向因子中，当转动方向因子大于0.5时，则该振型可认为是扭转为主的振型。当不满足以上要求时，宜调整抗侧力结构的布置，增大结构的抗扭刚度。如在满足层间位移比的情况下，减小某些（中部）竖向构件刚度，增大平动周期，加大端部竖向构件抗扭刚度，减小扭转周期。

（3）高层建筑的基础形式应选用整体性好，能满足地基承载力和层建筑容许变形的要求，并能调节不均匀沉降，达到安全实用和经济合理的目的。以下讨论平板式筏基和梁板式筏基经济合理的问题。平板式筏基与梁板式筏基相比较具有节约钢材、混凝土，施工工期短等优点。住宅一般开间小，即剪力墙间距小，并且剪力墙刚度大，所以剪力墙完全可以起到梁板式筏基中基础梁的作用。采用中國建筑科学研究院编制的JCCAD软件，用有限元法对不同基础形式进行基础计算，发现平板式筏基和梁板式筏基的板厚及配筋相差不多，但梁板式筏基却有基础梁的配筋、混凝土用量和基础梁支模等情况。当采用梁板式筏基时有的基础梁的刚度达不到它所应起到的刚度作用，计算时超筋。

（4）高层建筑平面凹入较深时构造处理。高层建筑平面不规则，容易发生震害，在不妨碍建筑使用的原则下可以采取以下措施：设置拉梁或拉板（板厚为250mm-300mm），拉梁拉板内配置受拉钢筋，满足梁板最小配筋率要求。

（5）高层住宅转角窗处的构造处理。角部墙体开洞，与角部墙体不开洞的剪力墙结构相比，结构整体效应影响颇大，结构的抗侧力刚度、自振周期、地震作用等均有不同程度的差异，角部墙体开洞的剪力墙结构其外墙内力明显增大。开洞的角部各构件扭转效应明显，特别是洞口处的连梁，需配置抗扭钢筋，转角处楼板宜局部加厚，配筋宜适当加大，在转角处板内设置连接两侧墙体的暗梁。

（6）不规则楼板的计算。在居住建筑中由于平面使用功能的需要，常出现不规则楼板，以往处理方法在缺口设梁，样影响建筑的美感。现在设计中改设暗梁，梁适当加宽。楼板的承载力潜力较大，计算时可按一般梁计算。通过结构优化设计来降低工程造价是控制工程。

2 高层建筑优化具体施工措施

（1）施工预案。施工单位应针对高层建筑的特点编制严谨、详尽的施工组织和管理方案。用来指导整个施工过程。内容包括：施工工序的安排，各工种进入工地的时间，关键部位的施工方法，对易出现的质量问题提出预控措施，制定出成品保护措施等。

（2）施工阶段的进度控制。由于现代高层建筑具有规模庞大，工程结构与工艺复杂，建设周期长及相关单位多等特点，决定了工程进度将受到许多因素的影响，要想有效地控制工程进度，就必须对影响进度的有利因素和不利因素进度全面、细致的分析和预测。这样一方面可以促进对有利因素的充分利用和对不利因素的预防；另一方面也便于来制定预防措施，事中采取有效对策，事后进度妥善补救，以缩小实际进度与计划进度的偏差，实现对高层建筑进度的静态控制和动态控制。

实施进度控制的目标就通过有效的进度控制工作和具体的进度控制措施，在满足投资和质量的前提下，力求使高层建筑的实际工期不超过计划工期，以保证高层建筑按期完成。在高层建筑计划阶段所确定的工期目标，往往是综合考虑各个方面的因素而确定的合理工期，因此，时间上的任何变化，无论是进度拖延还是超前，都可能造成其它目标的失控。例如，在一个高层建筑施工总进度设计中，由于某项工作的进度超前，致使能源的需求发生变化，而打乱原计划对人、材、机等资源的合理安排，亦将影响资金计划的使用和安排，特别是多个作业队平行施工时，由此引起后续工作时间安排的变化，势必给项目总体的协调工作带来许多困难。

（3）控制高层建筑的工程变更。由于建筑设计与工程实际情况不可能完全一致，设计人员的技术水平和工作能力使设计图纸未达到开发商的要求和施工的深度，开发商根据实际情况对工程的修改或补充等原因致使工程变更和设计变更在所难免。而这些变更必然会带来工程量的增减和工程造价的变化，极端情况下会出现工程造价难于控制的局面。因此在设计部门应切实做好调研工作，弄清开发商真实意图，对施工场地进行详细踏勘。在施工过程中应严格控制工程量，力求变更最少。

（4）高层建筑施工监理工作。高层建筑施工监理十分重要，它是监督工程质量、确保工程进度、控制工程造价的重要环节。监理工程师在施工阶段关系到是否要设计变更和工程变更的决定时，他们往往能根据自身的技术优势做出合理正确的选择，这一点许多建设方代表因其经验、阅历及技术受各方面的条件制约而无法做到。

综上所述，混凝土是影响建设质量的关键性因素之一，因此结构设计人员必须加强对其设计原则的分析与掌握，立足于具体的设计原则，从整体的设计工作及具体的设计内容等方面入手，采取有效的策略推动混凝土结构设计的优化完善。

参考文献：

[1] 刘美萍.浅谈混凝土高层建筑结构的设计体会[J]科技信息，2013（10）.

[2] 苏永平.高层建筑中混凝土结构的优化设计研究[J]山西建筑，2013（9）.