高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化與建筑空間要求的設(shè)計探討

丁 萍

廣東南粵瓏圖建筑設(shè)計有限公司，廣東佛山 528000

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計日趨復(fù)雜化，故在此設(shè)計過程中，需不斷優(yōu)化。在優(yōu)化方面，目前，我國加大了研究力度，并取得了一定成效。然而，到目前為止仍沒有一個成熟的數(shù)學(xué)模型，既可以滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范要求，又能使結(jié)構(gòu)最優(yōu)化，普遍認(rèn)為，當(dāng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力達(dá)到最大承載力時，其結(jié)構(gòu)是最優(yōu)的。在現(xiàn)實設(shè)計中要達(dá)到這個要求，需要設(shè)計者以結(jié)構(gòu)構(gòu)件為目標(biāo)，對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計最優(yōu)化。在優(yōu)化過程中，結(jié)構(gòu)專業(yè)

圖1 住宅優(yōu)化前的平面圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的問題分析

根據(jù) GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（2016年版）規(guī)定，在圖1中，l/Bmax=7000/住宅優(yōu)化前的平面圖尺寸19900=0.352，由于大于0.35，因此可以判斷平面屬于凹凸不規(guī)則類型。另外，經(jīng)過初步計算得知，在滿足墻肢加長的條件下，首層墻體的厚度擬取400mm，也難以滿足側(cè)向剛度比的要求，由此也可以判斷豎向為側(cè)向剛度不規(guī)則類型。由此可見，本工程有兩項不能滿足規(guī)則性的要求，應(yīng)按照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB 50011—2010（2016年版）中的規(guī)定，需要對水平地震作用下的內(nèi)力進(jìn)行調(diào)整，并對薄弱部位采取加強(qiáng)措施。筆者認(rèn)為，若不能合理優(yōu)化平面形狀，盲目采取一些加強(qiáng)措施，必然會造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。由于在建筑平面增加部分樓板，而這些樓板對建筑物的使用功能影響較小，通過共同協(xié)商，決定對其進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的住宅平面見圖2。

對圖1的剪力墻布置進(jìn)行分析得知，核心筒位置的墻體布置須早期介入建筑專業(yè)進(jìn)行溝通協(xié)調(diào)，從而使優(yōu)化的結(jié)構(gòu)同時滿足建筑空間要求。

1 工程概況

某商住樓位于佛山市南莊鎮(zhèn)，總建筑面積5.4萬m2。由局部一層商鋪，3棟獨立高層住宅，地下一層停車庫組成。首層局部商鋪建筑面積653m2，層高9.0m；1～3座主體高層住宅28層，高85.70m，層高2.9m，建筑面積為41905m2；地下一層停車庫建筑面積為9785m2。主體沿豎向質(zhì)量及剛度分布較均勻，住宅標(biāo)準(zhǔn)層一梯6戶，中部為樓梯間、電梯間、設(shè)備管道井組成垂直系統(tǒng)單元，其周邊東、西向各一戶單元，南北向各兩戶單元，形成兩梯6戶。平面體型規(guī)整。

本工程采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防烈度為7度，基本分壓值0.5kN/m2。

圖2 住宅優(yōu)化后的平面圖

結(jié)構(gòu)嵌固端選取于地下室頂板處。住宅優(yōu)化前的平面見圖1。住宅優(yōu)化后的平面圖見圖2。數(shù)量較多，剛度較大。通過建模和計算，得出Y-5%震偶然偏心作用下Y方向位移角的比值和最大層間位移角，以及X，Y方向最大層間位移角，其計算數(shù)據(jù)見表1。

表1 結(jié)構(gòu)側(cè)移表

根據(jù)表1中分析，住宅結(jié)構(gòu)平面中核心筒處的剪力墻數(shù)量有削減現(xiàn)象。對結(jié)構(gòu)中部的剛度有一定的削弱作用，這樣不僅有利于對結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)進(jìn)行控制，而且可以大大降低工程造價。假如所有墻體的厚度為200mm，如果對核心筒處的部分墻體進(jìn)行削減，將會大幅度地減少混凝土用量及對原有墻體鋼筋進(jìn)行扣除，其具有一定的經(jīng)濟(jì)性。除此之外，由于本住宅樓為高層建筑，核心筒以外為墻肢，這樣可以縮短其長度，如每隔5～7層可以縮短一次，但值得注意的是，要對結(jié)構(gòu)位移比、軸壓比等進(jìn)行嚴(yán)格檢查，看是否滿足規(guī)范要求，同時要確保墻肢長度應(yīng)不小于墻體厚度的8倍，以避免墻體變成短肢剪力墻。

3 優(yōu)化措施

3.1 形狀優(yōu)化

根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（2016年版）中的規(guī)定：在高層建筑結(jié)構(gòu)單元內(nèi)，需要確保結(jié)構(gòu)平面形狀的簡單化和規(guī)則化，剛度分布要均勻，平面不宜過長，突出部分長度不宜過大，見表2；同時，要確保建筑的豎向體型的均勻性，避免外挑和內(nèi)收過大，結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度要平衡，變化要均勻，盡量避免采用豎向布置不規(guī)則的結(jié)構(gòu)。例如，如果高層建筑的結(jié)構(gòu)平面布置和豎向布置較均勻且規(guī)則，其各項指標(biāo)的校核驗算也容易達(dá)到規(guī)范的要求，反之，各項指標(biāo)難以達(dá)到規(guī)范要求。還可能造成墻柱截面過大，建筑重量嚴(yán)重超標(biāo)，從而增加了工程造價，影響建筑的使用。通過在建筑方案階段，結(jié)構(gòu)專業(yè)的早期介入，從建筑的平面方案開始結(jié)構(gòu)專業(yè)提出建議，在滿足戶型配比要求的前提下，平面從不對稱形式優(yōu)化為對稱形式，結(jié)構(gòu)柱盡量調(diào)整為異形剪力墻，使空間墻體平整，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的同時又滿足了建筑空間使用的要求。

表2 突出部分長度的限值

另外，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員一定要重視概念設(shè)計，要確保概念設(shè)計在建筑方案設(shè)計階段介入，并結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)的特點，在滿足適用、美觀的情況下，合理布置建筑結(jié)構(gòu)的平面和豎向，在進(jìn)行平面和豎向布置時，要盡量以“簡單、規(guī)則、均勻”為原則。以此思想指導(dǎo)設(shè)計是合理的剛度和承載力體系，盡量避免由于局部削弱而造成薄弱部位的結(jié)構(gòu)體系。這樣有利于不斷優(yōu)化施工圖設(shè)計階段的截面尺寸。

3.2 剪力墻平面布置

在布置剪力墻平面時，應(yīng)注意以下幾點：第一，在住宅結(jié)構(gòu)平面布置過程中，不僅要滿足建筑的使用功能，而且要沿周邊均勻布置剪力墻。剪力墻的布置要位于建筑物的電梯間、樓梯間、平面形狀變化較大的部位，且確保剪力墻之間的距離不能過大；第二，在剪力墻結(jié)構(gòu)布置中，需要沿主軸方向進(jìn)行布置，對于抗震設(shè)計的剪力墻結(jié)構(gòu)，盡量避免采用單向的布置形式；第三，在剪力墻布置時，要確保墻肢截面簡單化、規(guī)則化，結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度不宜過大；第四，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)盡量減少短肢剪力墻的數(shù)量，不能全部使用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語

以上案例，針對高層住宅建筑剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計分析中，可知，住宅建筑剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的核心，主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)整體與局部的關(guān)聯(lián)，因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計人員不僅要從建筑結(jié)構(gòu)的整體考慮，同時需結(jié)合局部，做好結(jié)構(gòu)整體和局部的協(xié)調(diào)關(guān)系，方案初期，與建筑專業(yè)密切溝通，在保證安全、經(jīng)濟(jì)、合理的前提下，盡量滿足建筑空間要求，以上分析探討，僅供同行參考。