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摘要：本文主要从高层建筑的特点入手，探讨了高层建筑混凝土结构优化设计的具体方法，进而提出了合理使用高强砼和高强钢筋，注重剪力墙的平面布置，多使用结构简单的独立单元等优化设计等具体方法。
关键词：高层建筑；混凝土结构；优化设计
随着高层建筑的迅速发展，对其要求也越来越高，而混凝土施工是高层建筑施工中的一个关键环节，这就需要从混凝土结构方面对高层建筑进行优化设计以达到理想效果。
一、高层建筑结构设计的要求
（一）结构设计要考虑侧向力
侧向力（风或水平地震作用）成为影响结构内力、结构变形及建筑物土建造价的主要因素。高层建筑和低层建筑一样，承受自重、活载、雪载等垂直荷载和风、地震等水平力。在低层结构中，水平荷载产生的内力和位移很小，可以忽略不计；在多层结构中，水平荷载的效应（内力和位移）逐渐增大；在高层建筑中，水平荷载和地震力将成为主要的控制因素。
（二）结构应具有适宜刚度
随着高度的增加，高层建筑的侧向位移迅速增大。因此设计高层建筑时不经要求结构有足够的强度，而且要求结构有适宜的刚度，使结构有合理的自振频率等动力特性，并使水平力作用下的层位移控制在一定范围之内。
（三）结构应具有良好的延性
相对于较低楼房而言，高楼结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。建筑结构的耐震主要取决于结构的承载力和变形能力两个因素。为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免高层建筑在大震下倒塌，必须在满足必要强度的前提下，通过优良的概念设计和合理的构造措施，来提高整个结构、特别是薄弱层（部位）的变形能力，来保证结构具有足够的延性。
因此，在结构设计中应综合考虑这些因素，合理设计，使结构具有足够的强度、适宜的刚度、良好的延性。
二、高层建筑混凝土结构的优化设计的具体方法
高层建筑混凝土结构的优化设计首先得适应于高层建筑结构设计，而且要追求接近最优解。优化设计，关键是要有整体和局部的概念，要从整体入手，落实到局部，整体和局部都要兼顾。
（一）合理使用高强砼和高强钢筋
建筑的总造价包括上部结构的材料、基础及施工等费用，构件的截面尺寸和用钢量对造价的影响很大，设计中合理使用高强钢筋（如梁、板筋采用三级钢）可有效降低用钢量，节约成本。如果高层建筑位于深厚软弱地基上，由于作用于地基上的荷载很大，合理使用高强砼和高强钢筋优化构件截面尺寸，减轻结构自重，将会降低基础施工的难度和造价，取得显著的经济效果。同时，对于地震区的高楼，地震作用的大小几乎与建筑自重成正比，减轻自重能够减小结构的地震荷载，有利于提高结构的安全度。在设计中合理的使用高强砼和高强钢筋，能快速、有效的减少墙、柱、梁、板等构件的截面尺寸，降低用钢量减轻建筑自重，最终达到降低造价的目的。
（二）单元结构布置要合理
在高层建筑的一个独立结构单元内，宜使结构平面形状简单、规则，刚度和承载力分布均匀，平面长度不宜过长。突出部分长度不宜过大；高层建筑的竖向体型宜规则、均匀，避免有过大的外挑和内收。结构的侧向刚度宜下大上小，逐渐均匀变化，不应采用竖向布置严重不规则的结构。当一幢高层建筑的结构平面布置和竖向布置简单、规则、均匀，那么其各项指标的校核验算会很容易满足规范的要求，反之，则需花一番苦功才能令各项指标勉强满足规范要求。结果可能是墙柱截面尺寸大得惊人，单位面积重量严重超标。不仅造价上去了，而且还影响部分建筑功能的使用。结构设计人员一定要注重概念设计，在建筑方案阶段就应积极介入，运用自己的专业知识提出建议，在满足美观、适用的前提下，尽量使建筑结构的平面布置和竖向布置简单、规则和均匀。这样一来，结构体系就会具有合理的刚度和承载力分布，避免因局部削弱或突变形成薄弱部位，产生过大的应力集中或塑性变形集中。只有这样，到扩初设计和施工图设计阶段的截面尺寸优化才会有实质性的意义。
（三）注重剪力墙的平面布置
a、结构平面布置时，必须在满足建筑功能的基础上，剪力墙宜沿周边均匀、相对集中布置。在建筑物的楼梯间、电梯间、平面形状变化及恒载较大的部位宜布置剪力墙，其间距不宜过大。
b、剪力墙结构中，剪力墙宜沿主轴方向或其他方向双向布置，抗震设计的剪力墙结构，应避免仅单向有墙的结构布置形式。
c、剪力墙墙肢截面宜简单、规则，剪力墙结构的侧向刚度不宜过大。
d、设计中应注意尽量减少短肢剪力墙的数量，不应采用全部为短肢剪力墙的剪力墙结构。
（四）女儿墙的优化设计
在设计上，女儿墙无法直接参与主体结构的分析，所以在计算时往往仅考虑女儿墙的自重，当女儿墙较低时，这种方法是符合精度要求的，不会影响结构的安全；但是，随着女儿墙高度的增加，其地震荷载和风荷载效应也在增加，对主体结构的影响越来越大。因此，当女儿墙较高时，要仔细计算女儿墙所受水平荷载的情况。由于其侧向刚度较小，女儿墙一般采用钢筋混凝土材料，配筋计算可按支承于屋顶的悬臂板来考虑，且应配双层钢筋。为保证屋面女儿墙与主体结构的可靠连接，屋面女儿墙所在的框架梁或墙必须具有足够的抗弯、抗扭刚度，即对框架梁要根据女儿墙的底部计算弯矩配置受扭钢筋。对女儿墙的计算，主要应该验算在正常使用情况下由风荷载引起的内力并进行截面配筋。有人认为应进行地震作用计算，并将其地震作用乘以放大系数3来进行内力、配筋计算，认为一般情况此法没有必要；因为女儿墙在结构中毕竟是次要构件，只要通过合理的构造措施，来保证发生强烈地震时，女儿墙不致于倒塌掉下来伤人即可。
（五）地下室外墙的设计方法
在一般情况下，地下室外墙所承受的主要荷载为结构自重、地面活载、侧向土压力等。在我国已建成的高层建筑中，地下室外墙的墙厚和配筋相差很大，墙厚在200mm～700mm之间，配筋在565mm2一4909mm2之间，可见在结构可靠与经济之间选择一个合理的平衡，始终是一个值得探讨的课题。地下室外墙的受力状况与上部结构类型及平面布置有很大关系。当上部结构为框架结构时，上部填充砌体及±0.00楼板对地下室外墙顶端的约束程度很小，此时可假定墙体顶端为铰接。当上部结构为钢筋混凝土剪力墙结构时，剪力墙及±0.00楼板对地下室外墙顶部的约束程度很大，此时可假定墙壁顶端为固接。基础的刚度一般远大于墙体刚度，所以墙的下端一般视为固定端。在实际情况中，考虑到边界条件不十分明确，为安全起见，可对同一边界采用两种不同的假设，如按端部固定计算墙端弯矩，按端部铰接计算墙跨中弯矩。一般来讲，当上部结构为框架时，地下室外墙的墙厚和配筋要大些；当上部结构为剪力墙时，由于正压应力的存在，墙体厚度和配筋相对要小些。计算表明，外墙壁配筋满足裂缝宽度要求后，一般能同时满足承载力计算和构造要求；而当外墙配筋满足承载力计算时，却不一定满足最大裂缝宽度允许值要求。有人认为外墙内外侧配筋应根据内力值计算大小分别配置，其实没有必要，最好等量对称配筋。另外，外墙厚度还要考虑防水要求，不应小于250mm，混凝土的抗渗等级不应小于S6（O.6MPa）。
总之，高层建筑混凝土结构的优化设计可以从诸多方面人手，更加合理，有效地节约成本。
参考文献：
[1]冯泳.高层住宅墙体的合理等效惯性矩[J].建筑结构，1998（6）.
[2]苏英.高层建筑结构设计的几个问题[J].科技信息（学术研究），2007（16）.
[3]徐银夫.关于高层建筑结构设计的研究[J].科技经济市场，2006，（2）.
关键词：高层建筑；混凝土结构；优化设计
随着高层建筑的迅速发展，对其要求也越来越高，而混凝土施工是高层建筑施工中的一个关键环节，这就需要从混凝土结构方面对高层建筑进行优化设计以达到理想效果。
一、高层建筑结构设计的要求
（一）结构设计要考虑侧向力
侧向力（风或水平地震作用）成为影响结构内力、结构变形及建筑物土建造价的主要因素。高层建筑和低层建筑一样，承受自重、活载、雪载等垂直荷载和风、地震等水平力。在低层结构中，水平荷载产生的内力和位移很小，可以忽略不计；在多层结构中，水平荷载的效应（内力和位移）逐渐增大；在高层建筑中，水平荷载和地震力将成为主要的控制因素。
（二）结构应具有适宜刚度
随着高度的增加，高层建筑的侧向位移迅速增大。因此设计高层建筑时不经要求结构有足够的强度，而且要求结构有适宜的刚度，使结构有合理的自振频率等动力特性，并使水平力作用下的层位移控制在一定范围之内。
（三）结构应具有良好的延性
相对于较低楼房而言，高楼结构更柔一些，在地震作用下的变形更大一些。建筑结构的耐震主要取决于结构的承载力和变形能力两个因素。为了使结构在进入塑性变形阶段后仍具有较强的变形能力，避免高层建筑在大震下倒塌，必须在满足必要强度的前提下，通过优良的概念设计和合理的构造措施，来提高整个结构、特别是薄弱层（部位）的变形能力，来保证结构具有足够的延性。
因此，在结构设计中应综合考虑这些因素，合理设计，使结构具有足够的强度、适宜的刚度、良好的延性。
二、高层建筑混凝土结构的优化设计的具体方法
高层建筑混凝土结构的优化设计首先得适应于高层建筑结构设计，而且要追求接近最优解。优化设计，关键是要有整体和局部的概念，要从整体入手，落实到局部，整体和局部都要兼顾。
（一）合理使用高强砼和高强钢筋
建筑的总造价包括上部结构的材料、基础及施工等费用，构件的截面尺寸和用钢量对造价的影响很大，设计中合理使用高强钢筋（如梁、板筋采用三级钢）可有效降低用钢量，节约成本。如果高层建筑位于深厚软弱地基上，由于作用于地基上的荷载很大，合理使用高强砼和高强钢筋优化构件截面尺寸，减轻结构自重，将会降低基础施工的难度和造价，取得显著的经济效果。同时，对于地震区的高楼，地震作用的大小几乎与建筑自重成正比，减轻自重能够减小结构的地震荷载，有利于提高结构的安全度。在设计中合理的使用高强砼和高强钢筋，能快速、有效的减少墙、柱、梁、板等构件的截面尺寸，降低用钢量减轻建筑自重，最终达到降低造价的目的。
（二）单元结构布置要合理
在高层建筑的一个独立结构单元内，宜使结构平面形状简单、规则，刚度和承载力分布均匀，平面长度不宜过长。突出部分长度不宜过大；高层建筑的竖向体型宜规则、均匀，避免有过大的外挑和内收。结构的侧向刚度宜下大上小，逐渐均匀变化，不应采用竖向布置严重不规则的结构。当一幢高层建筑的结构平面布置和竖向布置简单、规则、均匀，那么其各项指标的校核验算会很容易满足规范的要求，反之，则需花一番苦功才能令各项指标勉强满足规范要求。结果可能是墙柱截面尺寸大得惊人，单位面积重量严重超标。不仅造价上去了，而且还影响部分建筑功能的使用。结构设计人员一定要注重概念设计，在建筑方案阶段就应积极介入，运用自己的专业知识提出建议，在满足美观、适用的前提下，尽量使建筑结构的平面布置和竖向布置简单、规则和均匀。这样一来，结构体系就会具有合理的刚度和承载力分布，避免因局部削弱或突变形成薄弱部位，产生过大的应力集中或塑性变形集中。只有这样，到扩初设计和施工图设计阶段的截面尺寸优化才会有实质性的意义。
（三）注重剪力墙的平面布置
a、结构平面布置时，必须在满足建筑功能的基础上，剪力墙宜沿周边均匀、相对集中布置。在建筑物的楼梯间、电梯间、平面形状变化及恒载较大的部位宜布置剪力墙，其间距不宜过大。
b、剪力墙结构中，剪力墙宜沿主轴方向或其他方向双向布置，抗震设计的剪力墙结构，应避免仅单向有墙的结构布置形式。
c、剪力墙墙肢截面宜简单、规则，剪力墙结构的侧向刚度不宜过大。
d、设计中应注意尽量减少短肢剪力墙的数量，不应采用全部为短肢剪力墙的剪力墙结构。
（四）女儿墙的优化设计
在设计上，女儿墙无法直接参与主体结构的分析，所以在计算时往往仅考虑女儿墙的自重，当女儿墙较低时，这种方法是符合精度要求的，不会影响结构的安全；但是，随着女儿墙高度的增加，其地震荷载和风荷载效应也在增加，对主体结构的影响越来越大。因此，当女儿墙较高时，要仔细计算女儿墙所受水平荷载的情况。由于其侧向刚度较小，女儿墙一般采用钢筋混凝土材料，配筋计算可按支承于屋顶的悬臂板来考虑，且应配双层钢筋。为保证屋面女儿墙与主体结构的可靠连接，屋面女儿墙所在的框架梁或墙必须具有足够的抗弯、抗扭刚度，即对框架梁要根据女儿墙的底部计算弯矩配置受扭钢筋。对女儿墙的计算，主要应该验算在正常使用情况下由风荷载引起的内力并进行截面配筋。有人认为应进行地震作用计算，并将其地震作用乘以放大系数3来进行内力、配筋计算，认为一般情况此法没有必要；因为女儿墙在结构中毕竟是次要构件，只要通过合理的构造措施，来保证发生强烈地震时，女儿墙不致于倒塌掉下来伤人即可。
（五）地下室外墙的设计方法
在一般情况下，地下室外墙所承受的主要荷载为结构自重、地面活载、侧向土压力等。在我国已建成的高层建筑中，地下室外墙的墙厚和配筋相差很大，墙厚在200mm～700mm之间，配筋在565mm2一4909mm2之间，可见在结构可靠与经济之间选择一个合理的平衡，始终是一个值得探讨的课题。地下室外墙的受力状况与上部结构类型及平面布置有很大关系。当上部结构为框架结构时，上部填充砌体及±0.00楼板对地下室外墙顶端的约束程度很小，此时可假定墙体顶端为铰接。当上部结构为钢筋混凝土剪力墙结构时，剪力墙及±0.00楼板对地下室外墙顶部的约束程度很大，此时可假定墙壁顶端为固接。基础的刚度一般远大于墙体刚度，所以墙的下端一般视为固定端。在实际情况中，考虑到边界条件不十分明确，为安全起见，可对同一边界采用两种不同的假设，如按端部固定计算墙端弯矩，按端部铰接计算墙跨中弯矩。一般来讲，当上部结构为框架时，地下室外墙的墙厚和配筋要大些；当上部结构为剪力墙时，由于正压应力的存在，墙体厚度和配筋相对要小些。计算表明，外墙壁配筋满足裂缝宽度要求后，一般能同时满足承载力计算和构造要求；而当外墙配筋满足承载力计算时，却不一定满足最大裂缝宽度允许值要求。有人认为外墙内外侧配筋应根据内力值计算大小分别配置，其实没有必要，最好等量对称配筋。另外，外墙厚度还要考虑防水要求，不应小于250mm，混凝土的抗渗等级不应小于S6（O.6MPa）。
总之，高层建筑混凝土结构的优化设计可以从诸多方面人手，更加合理，有效地节约成本。
参考文献：
[1]冯泳.高层住宅墙体的合理等效惯性矩[J].建筑结构，1998（6）.
[2]苏英.高层建筑结构设计的几个问题[J].科技信息（学术研究），2007（16）.
[3]徐银夫.关于高层建筑结构设计的研究[J].科技经济市场，2006，（2）.