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【摘要】随着建筑项目高度的增加，混凝土结构形式越发繁杂，同时设计难度也不断提升，因此有必要对其结构设计优化策略进行探究。本文从高层建筑混凝土结构设计要求和要点入手，着重对剪力墙结构等结构优化设计措施进行了探究，以期为高层混凝土结构设计工作提供借鉴。
【关键词】高层建筑；混凝土结构；优化设计
【中图分类号】TU973【文献标识码】A【文章编号】1002-8544（2016）22-0024-02
在建筑技术水平日益提升的今天，建筑工程高度逐步打破人们对于高楼的传统认识。但是随着建筑高度的增加，结构设计安全性已经成为工程建设中的首要原则。特别是混凝土结构，作为高层建筑中常用的一种结构类型，其设计质量直接关乎工程建设整体质量和安全性。因此，对于高层建筑混凝土结构的优化设计进行探讨具有重要的现实意义。
1.高层建筑混凝土结构设计要求和要点
1.1高层建筑混凝土结构设计要求
在高层建筑的生命周期中，其需要承受水平荷载和竖向荷载双向荷载。而低层建筑结构则主要以竖向荷载为主，水平方向上的地震荷载等荷载基本上不用考虑。但是在高层建筑结构设计中，水平荷载也是不可忽视的关键内容，其需要同竖向荷载共同承受建筑结构的各种荷载。简言之，高层建筑对混凝土结构具有更高的要求，这就要求在设计的过程中全面考虑结构布置及其承载情况。
1.2高层建筑混凝土结构设计要点
相较于低层建筑，高层建筑对结构安全性提出了更高的要求，所以优化高层建筑混凝土结构设计需要进行科学论证，并且要注重设计过程中容易出现差误的重点内容，具体主要表现在以下几个方面：
（1）选用最优的结构形式。目前，高层建筑的常用结构主要包括框架结构、框剪结构、剪力墙结构和筒体结构等，其中的框架结构就是单纯地以梁、柱、板所构成的建筑框架，然后后期以实心砖或者其他填充材料进行填充，其一般主要适用于高度低于60m；框剪结构就是在框剪结构中加入一部分剪力墙结构，以实现剪力墙和框架的共同承载，这在一定程度上增加了建筑结构的整体承载力，一般主要适用于那些商品房（上部为住宅，下部位商户的建筑设计中）或者高度低于120m的高层建筑设计中；剪力墙结构则是完成由剪力墙所构成的建筑结构类型，其具有比框剪结构更加复杂的结构体系，相应的承载力性能也更好。而筒体结构则是现阶段高层建筑中设计标准最高的一种形式，其承载性能和抗震性能均优于其他几种高层结构形式，尤其适用于超高层（>150m）或者摩天大楼中。因此，要根据的实际情况来合理选择结构形式。
（2）要注意结构结构的整体布局和造型。结构设计人员要充分注重概念设计，充分运用自己的建筑设计专业知识，在满足高层建筑结构适用性和美观性的基础上尽可能地优化建筑结构的平面布置和竖向布置工作，确保整体建筑结构的规则性、均匀性和简单性。避免局部建筑部位因突变或者削弱而形成薄弱部位。过大的应力集中问题也会导致相应的变形问题，故而需确保建筑结构截面尺寸设计的合理性。
（3）优化构件截面。在满足高层建筑混凝土结构设计安全性的前提下，要尽量选用成本性价比较强的构件截面，但是并非简单的越小越好。否则，一味地选择过小的建筑构件截面，虽然可能在一定程度上节省建筑成本，但是却极大地增加了结构设计安全风险，所以必须要在综合结构安全性和经济性的基础上，优化构件截面。
（4）设置合理的沉降缝和转换层等。其中的沉降缝是高层建筑结构中常见的一类变形缝，其是为了避免相邻高层建筑物之间或者裙楼中各建筑高度存在过大差异而引发的地基承载变形问题。而控制转换层则主要出现在框剪结构中，具体就是上部框架结构和下层剪力墙结构的交接部位，具体就是通过采用加固措施来防范相应的承载力突变问题，以全面确保其结构质量。
2.高层建筑混凝土结构设计优化对策
2.1采用高强施工材料
混凝土、钢筋等施工原材料是高层建筑混凝土结构施工的基础原料，其质量直接关乎高层建筑工程的整体质量以及施工成本。特别是高层建筑构件界面的尺寸直接关乎这些原材料的使用量。如果可以合理运用一些高强度施工材料，如高强混凝土和高强钢筋等，则可以有效地缩减构件的尺寸，降低钢筋和混凝土等的用量，缩减施工成本。此外，若高层建筑的地基比较软，高层建筑结构的承载力又比较大，那么此时如果可以合理运用钢筋和混凝土等高强原材料，则有利于优化建筑构件，减轻建筑结构的整体重量，从而可以达到降低施工难度和工程造价的目的。
针对处于地震区的高层建筑而言，减轻自重可以减轻相应的地震荷载，从而可以达到提升高层建筑结构安全度的目的。在高层建筑中合理运用高强混凝土和高强钢筋等施工材料，有利于减小梁、柱、板等建筑主要构件截面尺寸，达到提高设计有效性的目的。此外，相较于普通建筑，高层建筑对于钢材的性能也有较高的要求，所以此时需要大力推广高强度钢筋材料，逐步淘汰普通钢材。
2.2合理确定结构形式和基础选型
基于上述所述，当前高层建筑结构包括框架结构、框剪结构、剪力墙结构和筒体结构等几种常见类型，并且他们对于建筑高度要求不同，所以在实际的高层建筑结构设计中，设计人员需要根据工程的具体建设高度来合理选择结构形式。但是为了确保结构形式确定的合理性，同样需要考虑经济因素，即要在确保结构整体质量和安全性的基础上，尽量降低结构设计成本。同理，基础选型也需要综合经济因素和安全因素，以便确保基础选型的科学性和合理性。
2.3减少施工缝、优化结构平面
建筑结构平面的确定也是高层建筑结构设计中一个重要的组成部分，其质量直接关乎高层建筑的整体性能，所以设计人员需要根据实际的建筑需求来对建筑结构平面进行合理设计。针对高层建筑中的各个独立结构单元而言，一般需要保持建筑结构平面形状的规则性、简单性和对称性，以便可以平均分布建筑结构所承受的承载力和刚度等荷载；建筑平面的长度不可过长，建筑突出部位也不可过大；高层建筑建筑的竖向体型要保持均匀性和规则性，避免内敛或者外挑的幅度，同时结构侧向刚度要保持下大上小的均匀变化形式，严禁采用竖向结构极度不规则的形式。实践研究表明，如果建筑平面结构和竖向结构布置的均比较规则、均匀，简单，那么相应的各种指标校核和检验也会比较简单，否则即便是各种指标的验算也需要花费比较多的时间和精力去进行验算，甚至可能得出最终建筑墙面截面的尺寸比较大，致使相应的重量出现严重的超标，也影响了建筑结构功能的发挥。
此外，结构设计人员需要充分注重概念设计，从建筑工程方案阶段入手，尽量少设置施工缝，充分运用专业的设计知识，在充分满足建筑美观性和耐久性等使用功能的基础上，确保建筑结构平面和竖向布置的均匀性、和规则性。此外，不仅保证建筑结构平面形状的规则性、简单性和对称性，还要考虑梁（井字梁、十字梁、单向密肋梁）、柱（异形柱、方柱）、板（高层中板厚对荷载的影响）、墙的截面尺寸和布置。通过合理布置高层建筑平面，可以确保建筑承载力和刚度分布的均匀性，避免建筑局部地区存在突变的问题，否则该部位会产生比较大的应力集中造成变形；设计人员要做好和施工人员的交接工作，确保相关规定和要求可以得到确切落实和实施，避免设计人员出现思维定势而影响后续的顺利施工，尤其是要做好结构平面和立面的合理设计和施工，必要的时候可以提前和施工单位进行沟通。如此一来，通过对建筑结构平面进行合理规划，可以达到优化高层建筑混凝土结构的目的。
2.4优化结构参数的选择
在高层建筑混凝土结构设计的过程中，大多数的工作都是借助计算机平台完成的，所以实际设计中所选择的荷载计算系数或者电算系数的合理性直接关乎结构设计的质量，所以设计人员在进行结构设计的过程中，必须要结合实际情况来合理确定电算系数或者荷载系数等相关参数。
2.5转换层、设备层等的优化
针对转换层的等结构的优化设计，需要从科学设计高层建筑混凝土剪力墙结构入手，具体是做好以下方面的工作：（1）在布置建筑结构平面的过程中，设计人员需要在满足建筑功能需求的基础上使剪力墙沿着周边均匀地进行布置。在建筑物平面形状发生过大变化、电梯间、楼梯间以及承受恒载比较大的部位处要合理设置剪力墙结构，但是其相应的间距不可过大；（2）在剪力墙结构当中，要尽量沿着主轴方向双向布置剪力墙结构，并且针对有抗震要求的剪力墙结构，避免采用单向有墙的结构布置形式；（3）剪力墙的墙肢结构部件的截面要尽量保持规则性和简单性，并且实际的侧向刚度不可过大，否则很容易因受力不合理而破坏建筑结构；（4）设计人员要尽量减少短肢剪力墙的实际数量，并且所用的剪力墙结构不可全部采用短肢剪力墙，否则会影响剪力墙整体的性能。
而针对设备层结构的优化而言，主要是要合理设计筒体结构。为确保高层建筑结构的抗震目标，需要混凝土结构具有较好的延性和较强的承载性，所以在高层建筑抗震设计的过程中要根据实际的情况来合理确定型钢柱的位置和设置方法，并要尽量确保型钢柱位于高层建筑混凝土筒体结构的四角位置，并且高层建筑的高度一般不低于130m，并且抗震设防等级不小于7级；混凝土筒体的四角位置要和相应楼面型钢混凝土梁与楼面钢梁的交界处合理设置型钢柱，确保其高度超过130m，同时相应的抗震设防等级通常在7、8和9级，已达到增强高层建筑外围框架结构的承载力和刚度。通过采用刚性连接的方法，可以增强外围框架的水平承载力和刚度，具体措施主要包括以下几个方面：要合理设置外伸桁架加强层；采用刚接联接的方法来联接筒体监理墙和外伸桁架；确保相应的联接贯通抗侧力墙体和刚接桁架，以避免楼层在水平力作用下发生比较大的侧移。
总之，在高层建筑混凝土结构设计过程中，设计人员需要综合考虑地基荷载、自重、地震力等众多应力的影响，确保相应混凝土结构的延性、刚度和强度等性能可以满足建筑的使用需求。此外，设计人员还需要从建筑结构整体上来进行把握，充分了解和掌握总体结构体系设计和主要承力部位之间的衔接关系，以便不断优化结构设计方案，提升结构设计的经济性和适用性。
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