高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

張明明，李四祥

（中南建筑設(shè)計(jì)院第四設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430071）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程加快，商業(yè)用地成本趨高，高層住宅日趨增多，為迎合建設(shè)方實(shí)現(xiàn)利潤最大化要求，需對高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，以有效控制工程造價(jià)，實(shí)現(xiàn)最佳建造經(jīng)濟(jì)與建筑質(zhì)量的協(xié)調(diào)。

1 優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要性

用地成本居高不下，住宅設(shè)計(jì)取費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)不變，隨著市場競爭，定制產(chǎn)品設(shè)計(jì)品質(zhì)和含鋼量指標(biāo)成為衡量設(shè)計(jì)是否優(yōu)秀的關(guān)鍵[1]，有些甚至與設(shè)計(jì)收費(fèi)掛鉤。故在有限條件下合理優(yōu)化，滿足安全適用、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)先進(jìn)的要求，使建筑環(huán)境、使用功能最優(yōu)化，提高空間利用率和提升居住品質(zhì)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理，不僅利于設(shè)計(jì)企業(yè)的發(fā)展，而且可節(jié)約社會資源，實(shí)現(xiàn)未來的可持續(xù)發(fā)展。

2 高層住宅前期設(shè)計(jì)基本要求

2.1 方案設(shè)計(jì)階段——高層住宅建筑方案要求

建筑方案的好壞直接影響項(xiàng)目造價(jià)，因而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要在方案階段介入，整體配合把控。

2）控制建筑的規(guī)則性，平面布置時(shí)考慮豎向承重構(gòu)件如剪力墻沿房屋x、y兩個(gè)方向均勻分布，且宜分布在單元端部附近、平面形狀變化處、管井與樓電梯間處，使結(jié)構(gòu)平面形狀和剛度均勻?qū)ΨQ，質(zhì)量中心與剛度中心盡量重合，避免單片剪力墻過長或局部剪力墻過于集中，以減小結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。豎向布置方面，剪力墻貫通全樓高度，厚度依次遞減，盡量避免轉(zhuǎn)換等剛度突變。

3）保證房屋的最大高度、高寬比、伸縮縫間距均在規(guī)范允許范圍內(nèi)，滿足規(guī)范要求。

4）復(fù)雜高層控制建筑立面設(shè)計(jì)，避免結(jié)構(gòu)超限，平面過于凹凸，形成細(xì)腰，外立面減少不必要的外部線條，簡約的立面較為經(jīng)濟(jì)。

2.2 擴(kuò)初設(shè)計(jì)配合——指標(biāo)控制

好的建筑方案是成功的開始，結(jié)構(gòu)承擔(dān)實(shí)施角色。結(jié)構(gòu)建模完成后輸入精細(xì)荷載，滿足靜力計(jì)算，還要考慮地震和風(fēng)荷載的水平受力，使結(jié)構(gòu)滿足現(xiàn)行規(guī)范的基本要求，并對軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行合理分析和判斷。

1）軸壓比 為保證剪力墻具有良好的延性和耗能性能，剪力墻墻肢軸壓比必須控制在合理的范圍，具體可采取調(diào)整墻肢長度和混凝土強(qiáng)度等級等措施。

2）周期比 作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，規(guī)范中嚴(yán)格控制高層結(jié)構(gòu)比值不應(yīng)大于0.9，如果周期比不滿足，可通過增強(qiáng)周邊剪力墻墻肢長度、厚度或加大連梁高度，必要時(shí)，在非窗填充墻體位置設(shè)置雙連梁，并通過控制剪力墻數(shù)量和減小梁截面，減弱中部剛度，以實(shí)現(xiàn)增加扭轉(zhuǎn)剛度和平動周期，改善指標(biāo)。

3）位移 需嚴(yán)格滿足高規(guī)要求，盡量避免把洞口開設(shè)在房間兩端，剛度適中情況下，層間位移角比較好滿足。必要時(shí)調(diào)整剪力墻長度、加大連梁截面或提高混凝土強(qiáng)度等級，層間位移比可通過改善周期比方式，整體協(xié)調(diào)改動局部變形較大的節(jié)點(diǎn)。

該系統(tǒng)采用ASP.NET開發(fā)語言環(huán)境，Visual Studio 2017開發(fā)工具，選擇SQL Server 2012為數(shù)據(jù)庫,根據(jù)江西服裝學(xué)院學(xué)生宿舍管理工作的實(shí)際情況，結(jié)合整個(gè)宿管工作人員的層次來確定系統(tǒng)的整個(gè)設(shè)計(jì)框架。數(shù)據(jù)庫中的表已經(jīng)設(shè)計(jì)好了，下面將詳細(xì)說明該系統(tǒng)開發(fā)的步驟。

3 高層住宅優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 地下室結(jié)構(gòu)方案比選

常規(guī)標(biāo)配小區(qū)除主體住宅，還包括周邊裙房商鋪、售樓部、幼兒園、地下車庫等。相較上部，地下室結(jié)構(gòu)施工周期較長，工程量和造價(jià)占整個(gè)結(jié)構(gòu)的25%～30%，地下室設(shè)計(jì)合理與否成為整個(gè)設(shè)計(jì)的核心。根據(jù)甲方提供的車位配比、現(xiàn)場土方開挖工程量、場地地質(zhì)條件、抗浮設(shè)計(jì)等方面因素，在方案階段需研究單層及多層地下室方案優(yōu)劣、結(jié)構(gòu)梁板方案比選、基礎(chǔ)及地下室抗浮設(shè)計(jì)方案比選，最終選擇最合適地下室結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。

3.2 控制層高設(shè)計(jì)優(yōu)化

在建筑規(guī)劃限制條件下，做好精細(xì)化設(shè)計(jì)，特別是地上地下管網(wǎng)綜合、小區(qū)消防平面布置和景觀設(shè)計(jì)，減少地面覆土等恒荷載和活荷載，控制地下室梁高，增加地下室凈高，并減少土方開挖及抗浮方面成本支出。上部標(biāo)準(zhǔn)層，層高不變，設(shè)備穿梁套管提前預(yù)埋，增加房間凈高，提高居住舒適度。在容積率要求不高的情況下，甚至可增加樓層層數(shù)，增加可銷售面積。針對面積較大的地下室，按頂部場地和各層排水趨勢，在滿足基本層高的前提下，各層可通過結(jié)構(gòu)找單、雙坡，不但減少建筑找坡的混凝土量，進(jìn)而優(yōu)化地下室排水，還可節(jié)約土方開挖及建筑找平成本。

3.3 合理使用高強(qiáng)度等級混凝土和高強(qiáng)鋼筋

隨著環(huán)保節(jié)能要求不斷提升，鋼材產(chǎn)能過剩，新版國標(biāo)要求使用高強(qiáng)度等級混凝土和高強(qiáng)鋼筋。常規(guī)設(shè)計(jì)6度區(qū)A級高度的高層住宅結(jié)構(gòu)，如剪力墻結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件：33層，高度大于80m，剪力墻抗震等級為三級，混凝土等級C30～C45；27層，高度小于80m，剪力墻四級，混凝土等級C30～C40；18層，高度小于60m，剪力墻四級，混凝土等級C30～C40。地下室除主體相關(guān)的混凝土等級C35。豎向變截面與變混凝土錯開2層，先變截面，后變混凝土。可見，現(xiàn)有住宅主要是剪力墻結(jié)構(gòu)或框支剪力墻，按照80m或60m的限制對結(jié)構(gòu)材料、含鋼量等影響很大。

樓板配筋按照最小配筋率和強(qiáng)度計(jì)算，板跨越大，采用HRB400級以上的高強(qiáng)度鋼筋，節(jié)省的鋼筋數(shù)量越明顯，有效降低住宅含鋼量。因此，選擇合理使用高強(qiáng)度等級混凝土和高強(qiáng)鋼筋，會使房建綜合成本明顯降低。

3.4 構(gòu)件設(shè)計(jì)

3.4.1 柱

縱筋按計(jì)算，不放大，應(yīng)考慮上下層縱筋的施工及合理性，避免大小直徑交錯放置。箍筋按計(jì)算，滿足構(gòu)造，需全高加密的再加密，φ8和φ10不同直徑可在同一截面混用。

3.4.2 剪力墻

《高規(guī)》規(guī)定墻厚大于300mm的剪力墻不是短肢剪力墻；而設(shè)計(jì)上墻肢高厚比5～8，墻厚大于300mm的剪力墻，仍應(yīng)按短肢剪力墻設(shè)計(jì)（當(dāng)軸壓比較大時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行；當(dāng)軸壓比較小時(shí)可適當(dāng)放松）。合理布置是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，純住宅樓地下室以上1～10層墻厚約300mm，10層以上墻厚為250～200mm遞減。剪力墻混凝土等級從下到上逐步遞減。因計(jì)算位移、軸壓比要求，為盡量減少混凝土墻厚度，按照10mm為模數(shù)增加，如可采用220，260mm。避免短肢剪力墻，盡量不要設(shè)“一”字剪力墻。同時(shí)減少剪力墻數(shù)量，控制主肢墻長為1 600mm（200mm 厚墻），1 760mm（220mm 厚墻），2 000mm（250mm 厚墻），墻長不宜大于8m。

根據(jù)《全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施》（2009版）結(jié)構(gòu)（地基基礎(chǔ)）第5.8.7條：結(jié)構(gòu)厚度不應(yīng)小于250mm；當(dāng)?shù)叵率彝鈮ν鈧?cè)有防水保護(hù)時(shí)，鋼筋保護(hù)層厚度可取25mm，當(dāng)鋼筋保護(hù)層厚度較大時(shí)，應(yīng)采取防裂措施。故計(jì)算地下室外墻鋼筋保護(hù)層厚度取25mm，裂縫寬度≤0.2mm。土壓力按靜止土壓力，K0＝0.5；當(dāng)?shù)叵率也捎米o(hù)坡樁或連續(xù)墻支護(hù)時(shí)，K0＝0.5×0.66＝0.33；配筋計(jì)算時(shí)外墻的側(cè)向壓力分項(xiàng)系數(shù)可取1.3。計(jì)算地下室外墻的側(cè)向壓力，如土壓力、水壓力時(shí)，如其水頭高度已確定，不應(yīng)再乘以放大系數(shù)。計(jì)算地下室外墻時(shí)，一般室外活荷載可取5kN/m2（包括可能停放消防車的室外地面）。有特殊較重荷載時(shí)按實(shí)際情況確定。

3.4.3 梁

作為水平傳力構(gòu)件，主樓框梁配合豎向構(gòu)件布置，做到傳力路徑簡單直接，圖面清爽[2]。通常為提高標(biāo)準(zhǔn)層凈高，需控制梁的高度，通過調(diào)整豎向構(gòu)件長度優(yōu)化梁長，尤其是關(guān)鍵控制部位（如走道、大空間房間）優(yōu)先保證。配筋要求如下。

1）主梁 縱筋直徑盡量選擇φ14、φ16、φ18。對于跨度較小、標(biāo)準(zhǔn)層等受力較小區(qū)域，優(yōu)先采用單向梁布置，不但便于設(shè)備專業(yè)走管、消防照明等要求，相較雙向梁經(jīng)濟(jì)上還降低約10%。架立鋼筋可按規(guī)范要求配置，建議直徑不應(yīng)小于10mm，當(dāng)梁跨度大于6m時(shí)，直徑不宜小于12mm。箍筋、腰筋按計(jì)算配置并滿足規(guī)范構(gòu)造要求，若局部箍筋較大時(shí)，應(yīng)僅在所需位置加大（在施工圖中注明），不應(yīng)全跨加大箍筋。

2）次梁 為滿足錨固要求，建議端部點(diǎn)鉸，梁面、梁底鋼筋直徑不應(yīng)超φ16。較大跨度次梁，拉通筋改為2根架力鋼筋；較小跨度次梁，設(shè)計(jì)時(shí)盡量取較小的鋼筋拉通；箍筋受力較小時(shí)采用φ6@200，同時(shí)保證箍筋間距不大于梁寬，腰筋滿足規(guī)范要求不放大；平面較小跨梁可取消，改在砌體墻下板底附加鋼筋。

3）連梁 滿足計(jì)算即可，不放大。

4）懸挑梁 內(nèi)力分析要準(zhǔn)確可靠，懸挑梁底部鋼筋改用小直徑。標(biāo)準(zhǔn)層可根據(jù)計(jì)算結(jié)果，梁配筋分層可細(xì)化，同一根梁個(gè)別樓層配筋較大時(shí)可單獨(dú)列出。

對于地下室樓蓋，迎水面要求防水板板厚不小于250mm，密肋梁和井字梁內(nèi)板的承載力未充分發(fā)揮，經(jīng)濟(jì)上不劃算。為滿足結(jié)構(gòu)凈高要求，有時(shí)采用無梁樓蓋，近年來，因發(fā)生數(shù)起無梁樓蓋坍塌事故，采用較為謹(jǐn)慎。通過田繼平[3]類似案例分析及比較，可知梁板式-大板結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性較好，也便于施工，故高水位地區(qū)優(yōu)先選用大板方案。

3.4.4 板

通常標(biāo)準(zhǔn)層臥室、客廳樓板板厚根據(jù)跨度定：L＜2.7m：90mm；2.7m≤L＜3.6m：100mm；3.6m≤L＜3.9m：110mm；3.9m≤L≤4.2m：120mm；L=4.5m：140mm；刀把形樓板：厚度按異形板計(jì)算結(jié)果確定，樓板厚度120～150mm；而因懸挑結(jié)構(gòu)計(jì)算配筋較大，建議飄窗改為挑梁。特別需加強(qiáng)的部位樓板如樓電梯間板板厚不小于120mm，鋼筋采用雙層雙向，配筋率0.25%，公共走道板板厚120mm，建議采用分離式配筋。建筑端部為一字墻（含200mm小墻肢）樓板板厚120mm，筋采用雙層雙向，垂直剪力墻方向雙層配筋率≥0.25%，平行剪力墻方向雙層配筋率≥0.20%，還有屋面板及較小的板（板跨小于2m）如廁所、廚房、管井等，其余樓板如陽臺板等板面鋼筋盡量采用分離式，且板厚≥100mm。異形板陽角處，應(yīng)在板面附加放射鋼筋，不小于5φ8@200，長度為板短跨1/3。

3.4.5 地下室樓梯

消防要求梯板縫中設(shè)砌體墻時(shí)，應(yīng)有一側(cè)梯板蓋過砌體墻頂部。

3.5 后澆帶設(shè)置

由于地下室頂板、底板超長，為控制溫度應(yīng)力，應(yīng)每40m左右設(shè)伸縮后澆帶。主樓與裙房之間沿主樓四周設(shè)沉降后澆帶，而主樓標(biāo)準(zhǔn)層避免設(shè)置后澆帶。北京某住宅平面長度達(dá)80.90m，通過局部加強(qiáng)和采用后澆帶施工措施等證明方案可行。

此外，隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，加速運(yùn)算的自動化程度，設(shè)計(jì)師要積極吸收先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，運(yùn)用BIM等技術(shù)，在三維空間下配合其他專業(yè)進(jìn)行可視優(yōu)化。

4 工程實(shí)例

武漢某小區(qū)1號主樓地上29層，總高度87.60m，剪力墻結(jié)構(gòu)，抗震等級為三級，主樓基礎(chǔ)部分采用1 800mm厚筏板基礎(chǔ)，其他部位基礎(chǔ)采用直徑為190mm抗浮錨桿+柱下獨(dú)基+350mm厚防水板。頂板主樓范圍外頂板標(biāo)高為-1.500m，采用梁板結(jié)構(gòu)（板厚300mm）方案。地上首層結(jié)構(gòu)層高4.05m+標(biāo)準(zhǔn)層3.00m。由于設(shè)計(jì)人員習(xí)慣不同，該單體含鋼量偏高。參照甲方預(yù)算指標(biāo)，按照墻、梁、板優(yōu)化要求僅對構(gòu)造進(jìn)行局部優(yōu)化，主體結(jié)構(gòu)（不包括二次結(jié)構(gòu)）含鋼量減少約4kg/m2。此外，地下室基底為隔水土層，無承壓水，周邊僅為上層滯水，故抗浮優(yōu)化設(shè)計(jì)采用泄水抗浮技術(shù)，取消抗浮錨桿和減薄底板壓重。通過設(shè)置盲溝、積水井收集地下水，在通過場區(qū)地勢高差自動或抽排方式并入市政管網(wǎng)，使本工程區(qū)域水位適當(dāng)降低，工藝簡單，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

5 結(jié)語

設(shè)計(jì)人員應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范條文，從方案階段介入設(shè)計(jì)，科學(xué)結(jié)構(gòu)選型、優(yōu)化平面布置、精選荷載、理性分析計(jì)算結(jié)果直至完成設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全與經(jīng)濟(jì)性，滿足建設(shè)方實(shí)現(xiàn)利潤最大化要求。