孫 霄 劉茂野

（1.山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 運城 044000； 2.中國聯(lián)合工程有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

混凝土結(jié)構(gòu)是目前各類建筑中最常見的結(jié)構(gòu)，在高層建筑中起著不可替代的作用。高層建筑的混凝土結(jié)構(gòu)主要有組合結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)兩種類型。在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，需要兼顧使用需求和安全性能，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，卻存在一些不足之處。因此，需要明確混凝土結(jié)構(gòu)中存在的問題，并提出相關(guān)的解決措施來優(yōu)化設(shè)計，促進高層建筑的發(fā)展。

1 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)種類

高層建筑采用混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計時常用組合結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

1.1 組合結(jié)構(gòu)

該種結(jié)構(gòu)不僅具有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，同時混凝土在鋼管內(nèi)處于三軸受壓狀態(tài)，自身的承載力得到進一步提高，有利于節(jié)約大量的鋼材，對周邊環(huán)境的負面影響比較小，工程建設(shè)周期也比較短，因此在高層建筑的設(shè)計和施工過程中，合理利用組合結(jié)構(gòu)，能夠取代鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)。針對不同的用途，組合結(jié)構(gòu)可以分為鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)和組合砌體結(jié)構(gòu)。在一些層數(shù)比較高的建筑中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受的內(nèi)力比較大，對鋼筋混凝土構(gòu)件的尺寸有著更高的要求，這時就可以采用鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)，利用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)和型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)（圖1所示）代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼筋混凝土構(gòu)件，能夠有效發(fā)揮鋼和混凝土的不同優(yōu)勢；組合砌體則主要應(yīng)用于多層建筑中。

圖1 型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)（圖2所示）、框架體系和剪力墻體系是高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)體系中的三種代表。新型的結(jié)構(gòu)體系一般以筒體的組成方式進行劃分，主要可以細分為多束筒體系、框筒體系和筒中筒體系。不同于傳統(tǒng)的單片平面結(jié)構(gòu)，筒體結(jié)構(gòu)的承載力更大，同時也具有更強的抗側(cè)移剛度，在一些功能要求比較高的高層建筑中，該種結(jié)構(gòu)的應(yīng)用較為廣泛，是一種大多數(shù)建筑設(shè)計者都比較熟悉的結(jié)構(gòu)形式。

圖2 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)

2 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的問題

2.1 設(shè)計選型的問題

由于高層建筑結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，在對混凝土結(jié)構(gòu)選型時會出現(xiàn)很多矛盾，比如結(jié)構(gòu)是巨型化還是自重輕型化，又或者是開間擴大化，高層是轉(zhuǎn)換層還是加強層，這些在設(shè)計的時候都需要進行仔細考量。因此在設(shè)計選型時，要及時掌握新的建筑規(guī)范，明確建筑規(guī)則，避免設(shè)計出的高層建筑不符合現(xiàn)有的規(guī)定。在設(shè)計過程中要考慮周圍的地理情況，避免出現(xiàn)返工，也要避免為了追求效果而出現(xiàn)不可操作的情況，影響施工的進度和質(zhì)量。

2.2 設(shè)計統(tǒng)籌的問題

剪力墻設(shè)計是結(jié)構(gòu)中非常重要的一步，剪力墻具有均勻、對稱的設(shè)計原則，可以給整個建筑物節(jié)省空間，視覺寬闊，因此很受歡迎。所以在設(shè)計剪力墻的時候不能改變其結(jié)構(gòu)，否則會影響到其他與之有關(guān)的結(jié)構(gòu)，從而對建筑物的整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。高層建筑物的地基比低、中層的地基承重力大，在設(shè)計的時候要考慮到地基的重要性，并采取相應(yīng)的措施來增加地基的承受力，確保建筑物不會因為地基問題而受到影響。總之，在設(shè)計混凝土結(jié)構(gòu)時要考慮全面，不可忽視任何對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響的因素。

2.3 材料選擇的問題

不同材質(zhì)的混凝土應(yīng)用在高層建筑建設(shè)中各有其局限性設(shè)計時對材料考慮不周會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強度不可靠或者資源浪費,增加建設(shè)成本。運用于建筑的混凝土結(jié)構(gòu)材料可以大致分為素混凝土、鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土。素混凝土是單純的混凝土，抗剪強度低，難以充當(dāng)高層建筑結(jié)構(gòu)的材料，所以高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)常用鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土。鋼筋混凝土抗拉強度良好、制作方便，而且成本低，但作為抗拉構(gòu)件時存在徐變和容易開裂的問題，而且自重較大，不利于抗震和施工時的吊裝，此外在天氣狀況不佳的情況下施工，鋼筋混凝土部件的連接也會出現(xiàn)問題。預(yù)應(yīng)力混凝土由于提前添加預(yù)應(yīng)力，可以增強混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂性能，適用在可適當(dāng)變形的建筑中，對于高層建筑而言是一種優(yōu)良材料，但預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜，并且加工工藝難度高，造價也較高。所以，在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要重視材料的合理選擇，以兼顧工程質(zhì)量及造價成本。

3 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化措施

3.1 合理應(yīng)用BIM 信息技術(shù)

在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中，可以借助BIM技術(shù)，通過構(gòu)建建筑模型進行模擬實驗，讓設(shè)計者更加直觀地看到設(shè)計模型，修改設(shè)計中的不足，不僅可以加強設(shè)計者和需求者之間的交流，滿足用戶的實際需求，同時也能夠有效避免施工過程中的不足，發(fā)現(xiàn)問題在短時間內(nèi)進行解決，保障工程的施工進度。在設(shè)計過程中還可以利用信息技術(shù)來對大量的施工數(shù)據(jù)進行分析和計算，避免出現(xiàn)人為計算的錯誤，提高數(shù)據(jù)的準確率，減少因施工數(shù)據(jù)偏差影響后續(xù)施工的穩(wěn)步推進。

3.2 提高設(shè)計人員素質(zhì)

設(shè)計人員的素質(zhì)和專業(yè)能力對混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計方案有著重要作用，因為混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計大多取決于設(shè)計者的想法，因此提高設(shè)計人員的綜合素質(zhì)至關(guān)重要。設(shè)計人員首先要了解混凝土的特性以及高層建筑對混凝土結(jié)構(gòu)的需求，這就需要施工單位給設(shè)計人員配備相關(guān)的設(shè)計模擬實驗室，并且配備實驗所需的混凝土等施工材料，讓設(shè)計人員可以親手實踐操作，明確在設(shè)計方案中存在的不足以及該采取怎樣的解決措施。除此以外，企業(yè)還應(yīng)該定期對設(shè)計人員進行培訓(xùn)，讓設(shè)計人員能夠與時俱進，了解對高層建筑和混凝土結(jié)構(gòu)的最新要求，以便設(shè)計者在設(shè)計結(jié)構(gòu)時可以按照嚴格的規(guī)范設(shè)計，保證混凝土結(jié)構(gòu)的整體效果。

3.3 正確選擇加固設(shè)計

針對混凝土結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用在高層建筑中本身的缺陷，需要采取正確的措施來進行加固，面對不同的混凝土結(jié)構(gòu)，所采用的加固方法也有所不同，比如增大截面、置換混凝土、采用外粘型鋼、粘貼纖維復(fù)合材等加固方法[3]。如果鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固方法設(shè)計不規(guī)范不合理，會導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的使用周期變短，甚至出現(xiàn)變形，所以要嚴格規(guī)范使用加固方法以防混凝土無法承受高層建筑帶來的外荷載作用，保障用戶的居住體驗和居住安全。因此設(shè)計者在對結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時要基于實際需求，對不同的加固方法和倒塌機制進行分析，例如遇到鋼筋混凝土受到擠壓變彎的情況時，可以選擇增大截面的加固方法，分擔(dān)其承受力，提高混凝土的強度。置換混凝土的加固法適用于承重構(gòu)件受壓區(qū)混凝土嚴重缺少或者強度不夠的情況，主要原理是利用一定的支點，填入一定的混凝土或者將混凝土進行調(diào)換?？傊谠O(shè)計時需要考慮運用合適的加固方法，避免隨意使用，影響混凝土結(jié)構(gòu)的建設(shè)質(zhì)量[1]。

3.4 加強裂縫防治設(shè)計

裂縫問題是混凝土施工中最容易出現(xiàn)的問題，所以在設(shè)計過程中要特別重視混凝土裂縫?；炷恋牧芽p分為靜止裂縫、活動裂縫和尚在發(fā)展的裂縫三種。在設(shè)計過程中要秉持整體眼光，比如遇到尚在發(fā)展的裂縫時，首先不要急于修補，因為還不能確定裂縫的長度和寬度，要等待其不再發(fā)展之后再進行修補，而修補也是要講求一定的方法，比如注射法只是適用于0.1mm～1.5mm的靜止且獨立的裂縫、蜂窩狀的裂縫和貫穿性的裂縫[1]。所以針對出現(xiàn)裂縫的狀況，在設(shè)計中應(yīng)該科學(xué)合理地設(shè)置沉降縫，可以有效地避免受力過于集中，壓塌某一局部位置，減輕因為受力不均導(dǎo)致地基的下降，而且在設(shè)計的時候也要嚴格地計算出混凝土結(jié)構(gòu)的配料比例，確保混凝土的質(zhì)量，盡量減少混凝土因為結(jié)構(gòu)問題產(chǎn)生的裂縫，提高高層建筑的質(zhì)量。

3.5 提高安全設(shè)計標準

建筑安全是設(shè)計者首先需要考慮的。因此，在設(shè)計時要根據(jù)用戶需求選擇高標準的混凝土，避免使用低質(zhì)量的混凝土導(dǎo)致結(jié)構(gòu)硬度不夠，承受力不過關(guān)，結(jié)構(gòu)不夠耐久，影響高層建筑的質(zhì)量，甚至影響到用戶的安全使用。除此之外，還應(yīng)該考慮到一些不可控力因素，比如地震等自然災(zāi)害的影響，在設(shè)計時則要根據(jù)建筑物的抗震性能設(shè)計標準，提高混凝土的質(zhì)量等級符合安全標準，確?；炷两Y(jié)構(gòu)能夠承受住一定強度的地震，保障用戶的安全。

3.6 完善剪力墻設(shè)計

作為建筑重要的承重結(jié)構(gòu)，剪力墻設(shè)計關(guān)系到整個建筑的穩(wěn)定性，推進剪力墻的設(shè)計優(yōu)化工作，對于提高高層建筑的建設(shè)效率和質(zhì)量有著重要意義。結(jié)合剪力墻施工和建設(shè)的實際情況來看，剪力墻的結(jié)構(gòu)較為規(guī)則，施工流程較為明確，在應(yīng)用剪力墻結(jié)構(gòu)時，墻體厚度一般能夠達到200mm，如果存在轉(zhuǎn)彎部分，可以通過多個彎面的設(shè)計，保障側(cè)向剛度免遭破壞。在高層建筑的施工過程中，要避免大量使用短肢剪力墻，因為這會影響混凝土結(jié)構(gòu)的承重能力。在剪力墻設(shè)計中，要采取集中布置的模式，避免破壞建筑的內(nèi)部空間，綜合考慮建筑的多類承重部分。

3.7 優(yōu)化原材料選用設(shè)計

對于高層建筑，材料的選用直接決定了混凝土結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量。優(yōu)化混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計，在選材上就是要在保證質(zhì)量的前提下盡可能地減少鋼筋用量，降低工程造價，因此，在設(shè)計時要優(yōu)先考慮選擇高強鋼筋。由于建設(shè)需求和土地資源缺乏相沖突，有時不可避免地需要在軟土地基上進行工程建設(shè)，增大建設(shè)成本。為了減少工程造價，降低施工難度，一方面對建筑有強度要求，另一方面還要想辦法減輕建筑對地基產(chǎn)生的荷載，最大程度上減輕混凝土的總重，在設(shè)計時對鋼筋混凝土構(gòu)件的界面尺寸進行優(yōu)化。從地震等自然災(zāi)害對于高層建筑所造成的危害分析可知，地震危害程度有一部分就取決于建筑物的自重，因此，在設(shè)計高強度混凝土和高強度鋼筋時，根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)標準綜合考量，最大程度上減少各構(gòu)件截面尺寸，進一步減少鋼筋總量，降低建筑物的重量，在減少工程造價的同時，使建筑物的安全性得到顯著提升。

4 結(jié)束語

綜上所述，高層建筑的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計存在結(jié)構(gòu)選型、設(shè)計統(tǒng)籌和材料選擇等問題。為了優(yōu)化混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計工作，需要綜合考慮高層建筑自身的特點和用戶的實際需求等多種因素，充分利用各種優(yōu)化措施，明確最優(yōu)結(jié)構(gòu)方案，保障高層建筑工程施工的穩(wěn)步推進。