高层建筑混凝土材料的优化选择

高层建筑混凝土材料的优化选择
摘要：为实现工程造价最低目标，以高层框架结构建筑为例，选定3、5、7、9、11层从经济性角度对混凝土空心砖、混凝土小型空心砌块、加气混凝土砌块
三种施工中常用混凝土墙体材料的应用价值进行分析。

并基于多级优化设计MLOD
程序以及PKPM计算模型得出优化分析结果，在高层建筑施工中3层以下选择混
凝土空心砖材料造价最低；3层以上建筑选择加气混凝土砌块造价最低；而混凝
土小型空心砌块造价始终偏高。

关键词：高层建筑；混凝土材料；优化选择
引言：在最新的统计数据中，建筑行业年能耗在总能耗占比中达到40%，惊
人的数字以及国家低碳环保发展的要求使建筑行业不得不针对节能降耗展开深入
的探索。

而在高层建筑中，建筑材料性能与建筑能耗之间关系密切，其中混凝土
材料以性能稳定、强度高、耐久性好的优势受到广泛欢迎，但如何最大程度发挥
混凝土性能优势，提高建筑结构隔音性、抗震性、隔热性，降低钢材用量、减少
结构断面，还需从材料优选角度展开研究，以期与实际紧密结合，选择最合适的
混凝土材料，充分发挥性能优势、使用价值。

1高层建筑常用混凝土材料分析
混凝土材料主要以浇筑或装配两种形式用于高层建筑承重或非承重结构当中，其中用料量最大、对工程造价影响最大的是作为高层建筑混凝土墙体填充材料，
此类墙体在建筑结构当中发挥着围护或分隔作用，因此，所用混凝土材料属于非
承重材料[1]。

从现有研究与统计数据来看，在高层建筑中，墙体材料所占密度极大，成本约占总成本的33.33%左右，优化选择混凝土材料对实现建筑综合效益目
标有着重要意义。

其中常用混凝土材料主要有以下三种：
1.
1.
混凝土空心砖
此材料由毛坯制作，经过定型处理后形成成品，但制作中形成的水平孔无承
重能力。

主要优势则是导热速率低、质量轻、隔音效果好，方便施工且易于获取，因此，多在分隔墙、非承重框架墙中作为填充材料。

由此类材料砌筑而成的墙体
结构质量更轻，与传统填充材料相比，重量减少约30%，不仅优化结构、提高结
构性能，其本身成本低，也使施工整体费用减少[2]。

1.
1.
混凝土小型空心砌块
此材料中选择砂石作为骨料、水泥作为胶凝材料，加水后进行混合搅拌，再
经过振动加压成型，形成具有定量空心率的成品，成品需要经过一定时间养护。

其主要优势则是自重轻、施工方便、强度高、墙面平整度高，是目前工民建建筑
中的首选材料，在框高层架结构建筑以及承重墙体当中也常作为填充材料应用。

1.
1.
加气混凝土砌块
此材料制作过程中选择硅质或钙质材料作为原材料，经过复杂的制备过程形
成成品，具体来讲，需要在原料中添加发气剂，再加入适量水进行混合搅拌，在
发气剂的作用下材料内部产生孔隙，再倒入模具当中，在特定的温度与时间条件
下经过预养，随后进入切割、蒸压、养护环节，最终形成轻质且多孔的硅酸盐制品。

其主要优势为防火性能好、保温隔热性好、可刨、可钉、可锯，常作为建筑
承重结构以及围护结构的填充材料，而在本世纪二、三十年代，则在高层框架结
构建筑中应用，在性能与环保上均具备优势。

2基于混凝土材料选择的多级优化设计
本次研究中对混凝土材料的优化选择以工程造价最低为目标，但造价最低对
材料性能、施工质量影响较大，鉴于子目标之间存在矛盾，则采用多级优化设计MLOD程序完成本次混凝土材料优选。

2.1 多级优化设计MLOD概述
MLOD设计程序在多级优化设计思想基础上研发，由优化设计与内力分析两部
分组成，应用过程中通过离散型变量，能够基于最低造价前提完成对目标函数的
优化设计。

例如，对混凝土中杆件截面尺寸进行优化设计过程中，假设杆件截面
初期设计尺寸为50mm，该程序能够从混凝土强度等级出发，经过多层级迭代计算，将优化后的杆件尺寸以及隔层杆件对应混凝土等级情况输出出来；再根据预先登
录在程序中的预算定额，计算出不同情况下的工程造价，工作人员可以根据市场
上价格波动情况合理选择。

2.2 多级优化设计MLOD设计思想
应用MLOD程序过程中，应始终明确其核心思想则是完成多级优化，通常情
况下，可以分为三级：第一级为进行整体分析，对结构当中存在的所有构件内力
进行分析，设计人员可以根据需求选择其中的内力指标；第二级为进行层间优化，通过优化能够使满足结构竖向抗侧力要求以及材料强度要求构件的截面尺寸按照
从下至上顺序逐渐变小，从而最大程度上对抗侧力结构侧向刚度以及承载力发生
突然改变进行控制；第三级为进行构件优化，优化过程中通过强度以及构造对基
础展开约束，并控制所有构件价格，降至最低。

具体优化过程如图1所示。

图1 MLOD程序多级优化过程图
2.3 模型构建
从经济性角度设定所有主体构件作为本次研究的目标函数，按照上述程序构
建数学模型。

单根梁构件造价计算：
式中表示构件截面宽度，表示构件截面高度，表示混凝土单位体积价格，表示全部纵筋面积，表示梁端支座纵筋面积，表示端支座纵筋面积，表示模板单位面积价格以及箍筋单位质量价格，表示构件长度，表示整
根杆件的箍筋根数，表示单肢箍筋截面面积，表示箍筋长度。

单根柱构建造价计算：
式中表示保护层厚度。

结构总造价计算：
式中表示结构总杆件数。

在使用MLOD程序进行目标函数计算过程中，获得构件实际配筋量能够使优
化后的设计方案更加符合实际施工情况。

具体来讲，优化设计期间始终将横截面
宽度、高度当做独立变量，并对可变嵌入式水平优化设计当中混凝土设计要求强
度进行考虑。

在本次研究中，选择带约束条件的网格搜索法作为优化设计方法，
其要求构件上所有点均在试算取值范围内，最终优化结果则能够准确确定造价最
低时的构件截面尺寸，按照升序对截面尺寸进行搜索，当截面配筋量正好为构造
配筋时，则可以确定为搜索目标，再进行下轮搜索，高效确定所有搜索目标。

3基于框架结构模型的混凝土材料优化选择
3.1 模型构建
本次研究中选择框架结构高层建筑为分析对象，以造价最低为目标，建立起
两跨框架结构模型，柱网规格为8.5m×5.5m，跨度为8.5m时间隔3m设置一道梁，结构层高均为4m；选定3、5、7、9、11层展开多级优化分析，不同墙体材料均
通过水泥砂浆抹面完成涂布；并施加不同荷载，其中混凝土空心砖墙体厚度为
188mm、面荷载为3.14kN/m2、粉刷0.34kN/m2，混凝土小型空心砌块厚度为192mm、面荷载为2.67kN/m2、粉刷0.39kN/m2，加气混凝土砌块厚度为201mm、面荷载为1.42kN/m2、粉刷0.36kN/m2。

3.2 框架优化
3.2.1 综合单价计算
（1）模板综合单价。

以某地区市场材料价格为例，先计算出钢筋、模板以
及混凝土三者的直接费用，在直接费用基础上乘以115%则可计算出综合考虑管理
成本、税费、监理费用以及综合成本的综合单价。

以1.0m2工程量计算模板需求量，本研究中计算梁模板，综合单价为169.59元/m2。

（2）混凝土综合单价。

以1.0m3工程量计算混凝土需求量，选用C35混凝土，将人工、材料、机械费相加，最终计算综合单价为662.14元/m3。

（3）钢筋综合单价。

按照1.0t工程量计算钢筋需求量，将人工与机械费用
相加，钢筋综合单价为5653.04元/m3。

3.2.2 优化结果分析
将计算结果上传至PKPM软件当中，常用3种混凝土材料分别应用在5层建
筑中可建立15个计算模型，结合市场价格参数、抗震等级要求等，通过SATWE
完成计算，计算结果、荷载以及所获结构信息导入至MLOD程序当中，经过迭代
操作后则可获取最终优化结果。

3.3 填充材料造价计算
根据当地建材市场材料报价，计算出混凝土空心砖、混凝土小型空心砖、加
气混凝土砌块的综合单价分别取295.31元/m3、385.62元/m3、261.43元/m3；再
优化每个模型部件截面则可以计算出墙体积，从而准确计算填筑墙面的实际成本。

3.4 框架造价
将以上过程中计算的数据进行统计，三种高层建筑施工常用混凝土材料作为墙体填充原料的总造价之间存在明显差异，其中在任何情况下混凝土小型空心砌块总价格均偏高，加气混凝土砌块造价最低，混凝土空心砖造价略高，但与加气混凝土砌块造价差距较小。

在进行混凝土材料选择中，从经济性角度来讲加气混凝土砌块为首选，但建筑对防潮性要求较高时，则应选择混凝土空心砖。

结束语：
综上所述，高层建筑混凝土材料优选对降低施工成本、减少建筑全寿命周期内的能耗均有着重要价值。

本次研究中通过对高层框架结构建筑墙体填筑混凝土材料优选分析发现，加气混凝土砌块作为新型建筑材料，性能优良、造价低，是作为填充材料的首选，但还需结合具体环境要求，若对建筑防潮性能要求较高，则需要选择其他材料。

参考文献：
[1]李兆宇.高强度大体积混凝土材料特性研究[J].绿色环保建
材,2020(09):5-6.
[2]卢水良.谈如何在高层建筑工程中选用混凝土材料[J].工程建设与设计,2018(09):213-214.。