某高層酒店結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊信 石建光 陳家偉

(廈門(mén)大學(xué)土木工程系 福建廈門(mén) 361000)

某高層酒店結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊信 石建光 陳家偉

(廈門(mén)大學(xué)土木工程系 福建廈門(mén) 361000)

某高層酒店為一棟40層超限高層建筑，房屋高度為174.1m，采用框架核心筒結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在34層位置采用了梁式轉(zhuǎn)換。為了節(jié)約建造成本，優(yōu)化方從荷載的精確取值、梁系布置及樓板厚度的調(diào)整、型鋼柱型鋼尺寸調(diào)整、剪力墻開(kāi)洞及厚度調(diào)整、柱的準(zhǔn)確歸并及計(jì)算軟件的選擇等方面對(duì)該工程進(jìn)行優(yōu)化。最終，與原方案相比，優(yōu)化方案節(jié)省鋼筋576.44t，型鋼183.46t，混凝土1838.7m3，總計(jì)節(jié)省直接材料費(fèi)337.5萬(wàn)元。

高層酒店；超限；優(yōu)化設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)計(jì)算指標(biāo)；工程量

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0 引言

某高層酒店是由酒店塔樓、辦公塔樓、商業(yè)裙房、地下室組成的建筑群。本文僅對(duì)酒店塔樓工程深入優(yōu)化展開(kāi)敘述。酒店塔樓為一棟40層超限高層酒店建筑，主體建筑高度H=174.10m，屬于高規(guī)[1]中B級(jí)高度的建筑，結(jié)構(gòu)高寬比174.1/32.0=5.44，酒店塔樓的長(zhǎng)寬比L/B=32.0/32.0=1.0。地面一層有部分越層柱直通二層，因此在計(jì)算的時(shí)刻需要考慮包絡(luò)設(shè)計(jì)。到35層以上結(jié)構(gòu)平面內(nèi)收，采用了梁式轉(zhuǎn)換，12根框架柱對(duì)4跟進(jìn)行了轉(zhuǎn)換，因此豎向存在不規(guī)則，同時(shí)35層平面層高變?yōu)?.4m，36層層高4.5m，懸殊的層高導(dǎo)致豎向剛度突變，35層為薄弱層。

工程設(shè)計(jì)使用年限50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)二級(jí)，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)，抗震設(shè)防類(lèi)別為丙類(lèi)[2]，抗震設(shè)防烈度為6度，水平地震響應(yīng)系數(shù)最大值為0.052，場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，Tg=0.40s，基本風(fēng)壓ω0=0.35kN/m2地面粗糙度為B類(lèi)。最終整體結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖1，最終結(jié)構(gòu)平面圖見(jiàn)圖2、圖3所示。

圖2 35層以下標(biāo)準(zhǔn)層建筑平面圖

圖3 35層以上標(biāo)準(zhǔn)層建筑平面圖

1 方案優(yōu)化

1.1 荷載

方案優(yōu)化階段,對(duì)荷載進(jìn)行精確取值，除了按照實(shí)際梁高對(duì)梁間荷載進(jìn)行調(diào)整，將梁間荷載乘以相應(yīng)的折減系數(shù)之外，還將幕墻荷載按照實(shí)際取值。原方案將幕墻荷載統(tǒng)一按照層高較高的樓層的幕墻荷載取值，導(dǎo)致大部分樓層的幕墻荷載偏大。例如：原方案中，層高5.0m以及4.0m的幕墻荷載全部按照5.0m×2.0kN/m2=10.0kN/m取值?，F(xiàn)在，將幕墻荷載按照實(shí)際層高取值，將層高為4m的樓層的幕墻荷載通過(guò)實(shí)際計(jì)算，按照4.0m×2.0kN/m2=10.0kN/m取值，與原方案之間相差20%。優(yōu)化后，施加在外圈梁上的幕墻荷載減小了許多。

1.2 梁

優(yōu)化方提出，將縱橫向的次梁搭接到核心筒剪力墻上，這樣有利于結(jié)構(gòu)傳力。實(shí)際情況由于核心筒周?chē)蔷频曜呃?，上方盡量不要通梁，并且設(shè)備專(zhuān)業(yè)已經(jīng)將管道、設(shè)備布置完畢，不能修改，更不能讓管道穿過(guò)次梁。若能在方案階段就對(duì)建筑及設(shè)備專(zhuān)業(yè)提出建議，便可協(xié)調(diào)各個(gè)專(zhuān)業(yè)，使得最終設(shè)計(jì)方案趨于最優(yōu)。因此在深入優(yōu)化中，優(yōu)化方將次梁搭接到核心筒上，增加梁系布置的整體性[3]。

1.3 墻

原方案中，剪力墻上下開(kāi)洞不連續(xù)，并且剪力墻按統(tǒng)一厚度直通頂層。方案優(yōu)化階段，優(yōu)化方對(duì)局部剪力墻上下開(kāi)洞不連續(xù)，僅按照建筑開(kāi)門(mén)洞的做法做出相應(yīng)調(diào)整，優(yōu)化后，在剪力墻局部位置補(bǔ)開(kāi)結(jié)構(gòu)洞，補(bǔ)開(kāi)結(jié)構(gòu)洞，即在三十五層至四十層南側(cè)核心筒補(bǔ)開(kāi)800mm×2000mm的結(jié)構(gòu)洞，使上下剪力墻間開(kāi)洞連續(xù)。同時(shí)，相應(yīng)減小剪力墻的厚度，即將三十五層至四十層的剪力墻厚度由原先的300mm減小為250mm[4]。

1.4 柱

原優(yōu)化方案，設(shè)計(jì)方柱的施工圖歸并系數(shù)過(guò)大，將配筋量差別較大的柱子統(tǒng)一按照較大配筋量的柱子歸并，導(dǎo)致許多柱子配筋過(guò)大。例如，36至40層，KZ8的計(jì)算縱筋值為91，而實(shí)配卻達(dá)到了129，之間相差了29.46%。方案優(yōu)化階段，減小了歸并系數(shù)，盡量按照實(shí)際情況對(duì)結(jié)構(gòu)柱進(jìn)行配筋。

1.5 結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件的選擇

盈建科軟件對(duì)剪力墻連梁提供按照分縫連梁設(shè)計(jì)、配置斜向交叉鋼筋等減少連梁內(nèi)力或配筋的措施；對(duì)帶邊框柱或型鋼、型鋼混凝土柱剪力墻的配筋按照柱和剪力墻組合在一起的工形截面或T形截面配筋，可使邊緣構(gòu)件配筋量大大減少；對(duì)剪力墻軸壓比自動(dòng)采用組合墻肢方式計(jì)算，給出全新的剪力墻邊緣構(gòu)件設(shè)計(jì)結(jié)果等。因此優(yōu)化方提出使用盈建科軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算及設(shè)計(jì)能夠利用該軟件上述優(yōu)勢(shì)，使得配筋量上得以?xún)?yōu)化。在深入優(yōu)化中，采用盈建科軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算與設(shè)計(jì)。

2 方案優(yōu)化結(jié)果

通過(guò)方案優(yōu)化，不僅結(jié)構(gòu)計(jì)算指標(biāo)仍然符合相應(yīng)規(guī)范的要求，工程量有了更多的節(jié)省。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)計(jì)算指標(biāo)與原方案的對(duì)比，如表1所示：

優(yōu)化后的工程量與原方案工程量的對(duì)比，如表2、表3所示：

表1 結(jié)構(gòu)計(jì)算指標(biāo)對(duì)比

表2 方案優(yōu)化前后鋼材用量變化表

注：數(shù)值為正表示增加，數(shù)值為負(fù)表示減少。

表3 方案優(yōu)化前后混凝土用量變化表

注：數(shù)值為正表示增加，數(shù)值為負(fù)表示減少。

3 施工圖優(yōu)化

結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以是從方案、施工圖兩個(gè)階段分別介入進(jìn)行。對(duì)于方案階段的優(yōu)化，由于介入早，各專(zhuān)業(yè)的溝通協(xié)調(diào)方便，可以提出的優(yōu)化建議多，因此優(yōu)化的空間大；而施工圖階段的優(yōu)化，由于介入時(shí)間晚，許多方面已經(jīng)無(wú)法修改，僅能對(duì)施工圖進(jìn)行細(xì)致審核優(yōu)化，因此優(yōu)化空間受限，許多優(yōu)化方案無(wú)法實(shí)施。施工圖階段的優(yōu)化，優(yōu)化方與設(shè)計(jì)方溝通交流后，經(jīng)業(yè)主方認(rèn)可，決定僅對(duì)荷載、梁系布置、板厚以及型鋼柱進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1 荷載的精確取值

原方案在荷載的選取上偏于保守，對(duì)于高度比較大的梁，其下層梁上的荷載統(tǒng)一按較小梁高計(jì)算梁上荷載。大部分的次梁，梁上荷載計(jì)算時(shí)直接按照梁高高的取值，所以荷載取值過(guò)大。某些梁間荷載沒(méi)有乘以門(mén)窗折減系數(shù)。因此，本工程對(duì)梁間荷載進(jìn)行調(diào)整，按照實(shí)際梁高對(duì)梁間荷載進(jìn)行了調(diào)整，并且將梁間荷載乘以相應(yīng)的折減系數(shù)。通過(guò)荷載精確計(jì)算后，建筑結(jié)構(gòu)自重減小了約9.03%。

3.2 梁系布置及樓板厚度的調(diào)整

原方案角部有四根斜梁連接角柱與核心筒，此種布置方案使得結(jié)構(gòu)構(gòu)件傳力不夠明確，并且產(chǎn)生一系列不規(guī)則的樓板，同時(shí)有四根大梁交接于在核心筒角部位置，嚴(yán)重影響該位置的施工。因此，本項(xiàng)目對(duì)原方案進(jìn)行了調(diào)整，次梁的布置形式改成了雙向或者十字、井字梁布置形式，雖然次梁的數(shù)目有所增加，但主梁與次梁的截面面積均減小，總的配筋量降低，樓板厚度適當(dāng)減小，樓板的配筋也適當(dāng)減少(圖4、圖5)。

圖4 原方案樓板結(jié)構(gòu)布置

圖5 優(yōu)化后樓板結(jié)構(gòu)布置

3.3 型鋼柱優(yōu)化

本項(xiàng)目對(duì)型鋼柱中鋼骨尺寸進(jìn)行優(yōu)化，使型鋼柱的含鋼率滿足規(guī)范規(guī)定的大于4%，小于10%的要求[5-6]，考慮到經(jīng)濟(jì)性，盡量使含鋼率控制在4%左右。本項(xiàng)目還對(duì)型鋼柱直通的樓層數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。通過(guò)計(jì)算優(yōu)化后，如表1所示，位移角、周期比、剪重比等技術(shù)指標(biāo)與原方案相比，變化不大，最大位移比，結(jié)構(gòu)總質(zhì)量，周期等參數(shù)甚至比原方案更加優(yōu)越，在滿足相關(guān)規(guī)范要求下，最后型鋼柱從底層直通到二十七層，相比于原方案，優(yōu)化后型鋼用量減少了20.84%。

4 方案優(yōu)化與施工圖優(yōu)化對(duì)比

通過(guò)施工圖優(yōu)化，使得結(jié)構(gòu)施工圖配筋量明顯下降，梁、柱、剪力墻的鋼筋用量、混凝土用量、型鋼用量有了明顯的減少；雖然優(yōu)化后，結(jié)構(gòu)計(jì)算指標(biāo)相比于原方案有所下降，但是均滿足相應(yīng)規(guī)范的要求[7-8]，不會(huì)影響結(jié)構(gòu)的正常使用。主要原因在于，通過(guò)荷載精確取值與樓蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使得結(jié)構(gòu)總重量有了明顯的減小，樓蓋結(jié)構(gòu)傳力更加明確；隨之帶來(lái)的影響是，梁、柱、剪力墻的配筋都減少，樓板厚度可以調(diào)薄，甚至型鋼柱的直通樓層數(shù)都相應(yīng)減少。因此對(duì)于工程設(shè)計(jì)而言，荷載的選取和樓蓋結(jié)構(gòu)的選取是至關(guān)重要的。

雖然施工圖優(yōu)化工作取得一定成果，但是由于介入該工程的時(shí)間是在設(shè)計(jì)院完成了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之后，許多建筑方案，結(jié)構(gòu)方案，設(shè)備方案等不允許調(diào)整。因此優(yōu)化工作只能從荷載的精確取值、梁系布置及樓板厚度的調(diào)整及型鋼柱的優(yōu)化三個(gè)方面進(jìn)行。若優(yōu)化工作能從方案階段介入，進(jìn)行方案優(yōu)化，統(tǒng)籌全局，協(xié)調(diào)建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備等各個(gè)專(zhuān)業(yè)，對(duì)各個(gè)專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)方案提出優(yōu)化建議，并且能將優(yōu)化方的優(yōu)化建議落實(shí)到工程中去，那么優(yōu)化的成果將有進(jìn)一步的進(jìn)展。

方案優(yōu)化節(jié)省鋼筋576.44t，型鋼183.46t，混凝土1838.7m3，通過(guò)查閱工程同期的鋼筋、型鋼、混凝土的政府建議價(jià)格，估計(jì)方案優(yōu)化節(jié)省直接材料費(fèi)423.4萬(wàn)元。施工圖優(yōu)化大約節(jié)省直接材料費(fèi)337.5萬(wàn)元，方案優(yōu)化比施工圖優(yōu)化多節(jié)省了材料費(fèi)25.45%，充分體現(xiàn)了方案優(yōu)化相對(duì)于施工圖優(yōu)化的優(yōu)越性。

5 結(jié)論及建議

通過(guò)本次工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)，充分體現(xiàn)出優(yōu)化單位對(duì)于一個(gè)工程項(xiàng)目的重要性。優(yōu)化單位所要做的不僅僅是代表業(yè)主方的利益進(jìn)行優(yōu)化工程量，節(jié)省鋼筋、混凝土，改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，方便施工，節(jié)省工期等，還要統(tǒng)籌兼顧全局，協(xié)調(diào)整個(gè)項(xiàng)目當(dāng)中各個(gè)單位之間的工作，積極與業(yè)主方以及設(shè)計(jì)方進(jìn)行溝通交流，促進(jìn)工作順利進(jìn)行，盡量避免返工。各方應(yīng)進(jìn)行積極溝通與配合，確保優(yōu)化工作有條不紊地進(jìn)行。再次，筆者建議：

(1)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，應(yīng)從項(xiàng)目方案階段就介入，了解設(shè)計(jì)方各個(gè)專(zhuān)業(yè)之間的工作，從建筑方案階段就對(duì)各個(gè)專(zhuān)業(yè)提出優(yōu)化建議，避免已經(jīng)出了結(jié)構(gòu)施工圖以后，再進(jìn)行優(yōu)化，那樣協(xié)調(diào)各方將會(huì)變得困難，想要相關(guān)專(zhuān)業(yè)進(jìn)行變更也就變得不切實(shí)際。

(2)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)細(xì)致入微，不可一切均遵循經(jīng)驗(yàn)辦事，更不可因?yàn)槁闊┒鴮⒑奢d按照統(tǒng)一大小布置，將配筋的歸并系數(shù)放大，使得配筋量差異較大的構(gòu)件，按照統(tǒng)一的配筋量進(jìn)行配筋。

(3)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不能僅僅滿足于規(guī)范規(guī)定，刻意保守設(shè)計(jì)，造成不必要的浪費(fèi)，還應(yīng)充分調(diào)動(dòng)項(xiàng)目各方的工作積極性，發(fā)揮設(shè)計(jì)人員、優(yōu)化人員的聰明才智，使得優(yōu)化設(shè)計(jì)出來(lái)的成果，即安全可靠，又經(jīng)濟(jì)適用[9]。

(4)優(yōu)化設(shè)計(jì)，要兼顧施工成本與工期，盡量做到不僅結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)整體還便于施工，成本上，工期上均為業(yè)主方創(chuàng)造最大利益。

[1]JGJ3-2010,高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[2]GB 50223-2008,建筑工程抗震設(shè)防分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3]江歡成,丁朝輝,杜剛,等.重慶某超限高層結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].建筑結(jié)構(gòu).2004,34(6),3-6.

[4]康為江,酈世平.高層建筑中豎向結(jié)構(gòu)的選型與布置探討[J].建筑技術(shù).2005,36,(11).858-860.

[5]YB9082-2006，鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[6]JGJ 138-2001，型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[7]GB 50010-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[8]GB 50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[9]沈汝偉.對(duì)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的探討[J].煤炭技術(shù).2011,30(4).242-243.

楊 信(1990.6- )，男，碩士研究生，主要從事鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的性能和設(shè)計(jì)方法及動(dòng)力反應(yīng)分析方面的研究。

石建光(1962.2- )，男，碩士生導(dǎo)師，主要從事鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的性能和設(shè)計(jì)方法及動(dòng)力反應(yīng)分析方面的研究。

陳家偉(1991.4- )，男，碩士研究生，主要從事鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的性能和設(shè)計(jì)方法及動(dòng)力反應(yīng)分析方面的研究。

A high-rise hotel structure optimization design

YANGXinSHIJianguangCHENJiawei

(Department of Civil Engineering, Xiamen University, Xiamen 361000)

A high-rise hotel is a 40-story High-rise buildings, houses a height of 174.1 meters, using the framework of the core tube structure which position adopted at the 34th floor beam conversion. In order to save construction costs, optimize the load side from the exact value of the beam line layout and adjustment of the slab thickness, type of steel column-beam sizing, shear wall openings and adjust the thickness of the column and calculate accurately merge software selection and other aspects of the project optimization. Eventually, compared with the original plan, optimization save steel 576.44t, 183.46t of steel, concrete 1838.7m3, saving a total of 3.375 million yuan direct material costs.

High-rise hotel;Overrun;Optimal design;Structural calculation index;Quantities

楊信(1990.6- )，男。

2015-10-14

TU973

A

1004-6135(2015)12-0060-05