淺析高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計中的含鋼量控制

李雅杰

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展，國家對土地出讓方式的政策也日臻完善，城市可用于住宅開發(fā)的用地逐漸減少，土地價格和國家各種規(guī)費(fèi)的大幅度提高，特別是國家這兩年對房地產(chǎn)行業(yè)采取了各種宏觀調(diào)控措施，于是占地面積小的高層住宅便成為房地產(chǎn)開發(fā)的主要方向，也是城市居民居住建筑的主要形式之一。在這種大背景下，項(xiàng)目的成本控制開始前所未有的被重視起來，而首當(dāng)其沖的就是土建成本，其中結(jié)構(gòu)成本更是從嚴(yán)控制，由此投資建設(shè)方都不約而同地把眼光盯向結(jié)構(gòu)用鋼量指標(biāo)。除了建筑設(shè)計方案之外，房地產(chǎn)公司經(jīng)常以單體建筑的含鋼量作為衡量設(shè)計院水平的標(biāo)準(zhǔn)，特別是房地產(chǎn)公司通過多年的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，積累了含鋼量的一般范圍，在合同洽商階段會將含鋼量指標(biāo)寫入相關(guān)條款，要求設(shè)計方嚴(yán)格遵守執(zhí)行，為此如何在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，進(jìn)一步滿足工程項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性成為建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計面臨的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。由于高層住宅結(jié)構(gòu)的含鋼量是影響其總造價的一重要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，實(shí)踐中控制含鋼量不僅僅是單一結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計人員的任務(wù)，同時也需要建筑、電氣、暖通、給排水等專業(yè)的通力配合。本文試圖通過高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)含鋼量影響因素的分析，結(jié)合工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，從以下幾方面就高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計中如何控制含鋼量進(jìn)行探討，提出了優(yōu)化設(shè)計處理方法和措施，以達(dá)到科學(xué)經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計要求。

1.建筑方案設(shè)計階段

1.1平面體型的規(guī)則性和均勻性對含鋼量的影響

平面體型的規(guī)則性和均勻性對含鋼量的影響很大，建筑平面布置外凸與內(nèi)收程度，以及由此形成的建筑物平面剛度和其是否突變等，均對XY軸雙向的動力特性會產(chǎn)生較大影響；兩個方向的剛度差異也會導(dǎo)致不均勻性，從而直接影響整體剛度和配筋，這也是為何平面布置較怪（如風(fēng)車型、工字型、U字型）的高層住宅比規(guī)整的高層住宅造價高的原因之一。

1.2豎向高寬比對含鋼量的影響

豎向高寬比對含鋼量的影響與上一條不相上下，對高寬比大的高層住宅而言，為保證整體穩(wěn)定性必然要增強(qiáng)其側(cè)向剛度，亦即為滿足建筑物抗震、抗風(fēng)和舒適度的需求，就要保證結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移控制在規(guī)范要求的范圍內(nèi)，也就是要相應(yīng)提高抗側(cè)力構(gòu)件的含鋼量。

1.3總高度的變化對含鋼量的影響

由于設(shè)計的高層建筑多為A級，且大部分的結(jié)構(gòu)布置形式為剪力墻結(jié)構(gòu)，以7度設(shè)防地區(qū)為例，按照規(guī)范80米限值，小于80米的抗震等級為三級，大于80米的抗震等級就提高一個級別為二級，含鋼量隨之便有一個明顯的上升變化。

1.4轉(zhuǎn)換層對含鋼量的影響

一般情況下轉(zhuǎn)換層配筋量相當(dāng)于2～3個標(biāo)準(zhǔn)層的配筋量，而且由于轉(zhuǎn)換層造成豎向抗力構(gòu)件不連續(xù)，轉(zhuǎn)換柱或墻體的配筋也較大，故應(yīng)以盡量避免或減少轉(zhuǎn)換為基本設(shè)計理念。

1.5層高的控制對含鋼量的影響

設(shè)計經(jīng)驗(yàn)表明層高的控制對含鋼量控制也有較大意義，有數(shù)據(jù)顯示，層高每增加10厘米，含鋼量增加約1.0KG/M2。

1.6抗側(cè)力構(gòu)件的布置對含鋼量的影響

抗側(cè)力構(gòu)件的布置對含鋼量的影響亦不容忽視，構(gòu)件布置合理容易使剛度中心和質(zhì)量中心接近，從而充分發(fā)揮抗側(cè)力構(gòu)件的扭轉(zhuǎn)剛度，能夠保證扭轉(zhuǎn)位移比在規(guī)定限制內(nèi)，可以避免抗側(cè)力構(gòu)件數(shù)量過多和位置不合理造成的多筋超筋現(xiàn)象。

1.7建筑立面造型及細(xì)部處理對含鋼量的影響

建筑立面豐富，細(xì)部構(gòu)造復(fù)雜對含鋼量控制也有一定的影響，據(jù)有關(guān)統(tǒng)計建筑風(fēng)格為托斯卡納風(fēng)格的建筑立面，以及帶有轉(zhuǎn)角窗、凸窗、飄窗等細(xì)部構(gòu)造節(jié)點(diǎn)大樣并采用鋼筋混凝土形式時，含鋼量能增加0.5～1.0 KG/M2。

2.結(jié)構(gòu)計算——應(yīng)選取適用的荷載

當(dāng)建筑物高度增加時，水平荷載（風(fēng)荷載及地震作用）對結(jié)構(gòu)起的作用越來越大，除了結(jié)構(gòu)內(nèi)力明顯加大外，結(jié)構(gòu)側(cè)向位移增加的更快，彎矩和位移與高度成指數(shù)曲線上升關(guān)系。一般而言多層和高層建筑結(jié)構(gòu)都要抵抗豎向和水平荷載作用，但是在高層建筑中，其結(jié)構(gòu)要更多的抵抗水平力，抗側(cè)力成為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要問題；在地震區(qū)，地震作用對高層建筑的威脅也比多層建筑要大。因而在結(jié)構(gòu)計算中荷載輸入值的選用是否正確，關(guān)系到整個工程項(xiàng)目的含鋼量是否正常，亦應(yīng)認(rèn)真對待。例如填充墻開窗門洞處，應(yīng)盡量精確選取線恒載，不得隨意加大。之前，在方案選擇時應(yīng)建議建筑專業(yè)盡量采用輕質(zhì)材料，減輕結(jié)構(gòu)自重。高層建筑室內(nèi)填充墻宜采用各類輕質(zhì)隔墻。，在高層住宅建筑中采用輕質(zhì)石膏板內(nèi)隔墻體系，主要的土建結(jié)構(gòu)造價（包括樓板、外墻、內(nèi)墻、梁、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)體系等）比傳統(tǒng)磚石混凝土體系的土建結(jié)構(gòu)造價可降低 10%左右，而 GRC（玻璃纖維增強(qiáng)水泥的簡稱）輕質(zhì)墻板容重僅相當(dāng)于同厚度粘土磚砌體密度的 1/3，大大減少了結(jié)構(gòu)荷載，降低了整個建筑的梁、柱及基礎(chǔ)的截面積和含鋼量。

3.結(jié)構(gòu)布置——優(yōu)化設(shè)計，適當(dāng)減少剪力墻數(shù)量

在高層建筑結(jié)構(gòu)布置時，應(yīng)注意適當(dāng)減少剪力墻的布置數(shù)量。而對于剪力墻暗柱箍筋形式設(shè)計時，應(yīng)盡量避免重疊，因重疊部分不計入體積配箍率。當(dāng)約束邊緣構(gòu)件小箍筋采用封閉箍，構(gòu)造邊緣構(gòu)件在剪力墻高度 2/3 以上（從地面算起）采用封閉箍和拉筋間隔放置?？v向鋼筋可選兩種直徑，“角部”放置較大直徑鋼筋。例如連體方案建筑由于連接部位采用大開間剪力墻布置，減少了剪力墻的數(shù)量，在滿足規(guī)范限定指標(biāo)的情況下，可減少含鋼量。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明加大剪力墻布置間距，減少剪力墻數(shù)量，是減少含鋼量的有效措施。當(dāng)然也要注意由于連體方案平面長寬比較大，只有在低烈度地區(qū)才有減少含鋼量的優(yōu)勢，是建筑物體型中平面長寬比影響因素的特例。實(shí)踐中應(yīng)在規(guī)范允許的范圍內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，適當(dāng)減少剪力墻數(shù)量，加大框架梁跨度；與建筑專業(yè)協(xié)商，開間布置避免錯位，減少由于框架梁錯位而增加的豎向構(gòu)件，一旦結(jié)構(gòu)布置經(jīng)過優(yōu)化，鋼筋單方含量和混凝土含量即會相應(yīng)減少。高層建筑地下室底板建議采用帶柱帽的普通鋼筋混凝土無梁樓蓋，地下室其余各層、地下室頂板、裙樓和住宅塔樓的樓蓋建議采用普通鋼筋混凝土梁板樓蓋。對于細(xì)部構(gòu)件布置，當(dāng)兩軸尺寸接近時，采用雙向板布置；當(dāng)兩軸尺寸差別較大時，采用單向板布置。

4.水平構(gòu)件——應(yīng)該路徑簡潔、形式合理

水平構(gòu)件的布置應(yīng)使傳遞荷載路徑簡潔，以最快的方式將樓面上的荷載傳遞到結(jié)構(gòu)主體上，再由結(jié)構(gòu)主體的框架柱、剪力墻等豎向構(gòu)件傳遞到基礎(chǔ)和地基。如果采用的平面構(gòu)件布置荷載需要經(jīng)過多級次梁再傳遞到框架梁，就使得荷載傳遞路線曲折不明確，造成構(gòu)件受力復(fù)雜，一定會增加工程造價并影響含鋼量的控制。同樣，構(gòu)件形式的選擇也是這個道理，以地下室梁板式底板與平板式底板的比較為例，帶樁基礎(chǔ)的地下室底板，采用梁板結(jié)構(gòu)要比采用平板式結(jié)構(gòu)可節(jié)省用鋼量，但如果柱網(wǎng)中添加了次梁，則不僅使施工更為復(fù)雜，而且還會增加用鋼量，這一點(diǎn)已在大量工程中得到驗(yàn)證。

5.結(jié)構(gòu)材料——宜采用高強(qiáng)度鋼筋

一般的辦公、住宅建筑，荷載不太大，但因?yàn)橐獫M足電線埋設(shè)等要求，板厚不宜小于100mm；而普遍的結(jié)構(gòu)布置原則，板的跨度不宜太小，應(yīng)使板的配筋由內(nèi)力控制而不是按構(gòu)造配置。為此，樓板配筋應(yīng)盡量采用 HRB335 或 HRB400 才能實(shí)現(xiàn)上述目的，實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明采用高強(qiáng)度鋼筋可以節(jié)省用鋼量，而混凝土強(qiáng)度等級對減小配筋的作用很小，不管樓板是構(gòu)造配筋還是計算配筋，采用 HRB400 鋼筋可有效降低含鋼量。樓板結(jié)構(gòu)混凝土及鋼筋用量一般與建筑層數(shù)無關(guān)，若采用新型樓蓋體系和高強(qiáng)鋼筋可以更有效地減少含鋼量。采用高強(qiáng)度鋼筋，簡支邊支座鋼筋的數(shù)量沒有減少。由于住宅板跨度較小，采用高強(qiáng)度鋼筋后，板底配筋大部分仍為構(gòu)造配筋，因此，節(jié)省鋼筋的數(shù)量比理論計算數(shù)值減少。板垮越大，節(jié)省的鋼筋越多。

6.結(jié)構(gòu)施工圖——不可忽視的微調(diào)

當(dāng)最后進(jìn)入結(jié)構(gòu)施工圖階段，除了細(xì)化初步設(shè)計的成果外，還需要對結(jié)構(gòu)計算結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步微調(diào)，柱、剪力墻、梁、板和節(jié)點(diǎn)的配筋需進(jìn)一步斟酌，結(jié)構(gòu)的薄弱部位不要超過計算書的10%，一般為不小于5%。此外關(guān)注點(diǎn)也還要放在豎向構(gòu)件的含鋼量控制上（其含鋼量約占40%～50%左右），如果僅需要構(gòu)造配筋，水平筋可考慮用直徑8mm，豎向筋可考慮用直徑8mm、10mm間隔布置。

嚴(yán)控墻、板和梁配筋，剪力墻和板配筋符合構(gòu)造要求的，按規(guī)范最小配筋率進(jìn)行設(shè)計。如果加強(qiáng)區(qū)為200mm或250mm厚的墻水平筋Φ10@150可改為Φ10@200；對非加強(qiáng)區(qū)200mm厚的墻水平筋 Φ8@150可改為Φ8@200；若豎向筋Φ10@200 亦可改為Φ10/8@200。梁配筋將30層分9個標(biāo)準(zhǔn)層進(jìn)行設(shè)計。

對于剪力墻體系和短肢剪力墻體系的含鋼量控制，如果層數(shù)在20～30層的住宅，最好采用傳統(tǒng)的全現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)體系。否則若采用短肢剪力墻，體系就會變得較柔，結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移和層間位移就不一定能滿足規(guī)范要求，且“高規(guī)”對短肢剪力墻的配筋有了更嚴(yán)格的控制，因而含鋼量將會進(jìn)一步加大。

7.結(jié)語

高層住宅項(xiàng)目的含鋼量控制，不僅是單純依靠結(jié)構(gòu)工程師，也需要得到業(yè)主和相關(guān)專業(yè)的支持與配合。同時含鋼量的控制不僅僅是結(jié)構(gòu)設(shè)計單一階段的任務(wù)，而是應(yīng)貫穿于項(xiàng)目設(shè)計的全過程，從項(xiàng)目建筑方案初始即要在宏觀上做到布局合理，科學(xué)定案；又要在微觀上做到周密慎重，一絲不茍，這樣才能達(dá)到既安全有經(jīng)濟(jì)的目的。

具體到多高層住宅鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中的含鋼量控制，需要從結(jié)構(gòu)方案即開始入手，重視結(jié)構(gòu)概念設(shè)計，選擇合理的結(jié)構(gòu)體系，通過多方案比選，確定經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)布置方式。在施工圖階段力爭精確選取適用的荷載，采用適當(dāng)減少剪力墻數(shù)量、地下室平板式底板和優(yōu)先選用高強(qiáng)度鋼筋及高強(qiáng)混凝土等一系列結(jié)構(gòu)技術(shù)措施。細(xì)化設(shè)計，從地基基礎(chǔ)、地下室、上部結(jié)構(gòu)的墻柱梁板等全方位構(gòu)件著手，在滿足規(guī)范構(gòu)造要求的前提下，確定構(gòu)件的合理截面尺寸及經(jīng)濟(jì)配筋，努力做到結(jié)構(gòu)安全適用、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、方便施工。