淺談住宅建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性

【摘要】地產(chǎn)公司對(duì)建筑經(jīng)濟(jì)性要求越來越高，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置了相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性控制指標(biāo)。本文從建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度，對(duì)如何提高土地資源利用率、降低建筑結(jié)構(gòu)工程造價(jià)，對(duì)影響住宅建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性的部分影響因素進(jìn)行分析。

【關(guān)鍵詞】結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化;結(jié)構(gòu)構(gòu)件;材料用量;結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性

1、引言

近年來，長(zhǎng)沙地區(qū)住宅土地市場(chǎng)在限房?jī)r(jià)、竟地價(jià)的規(guī)則下，房?jī)r(jià)在土地拍賣時(shí)就已經(jīng)被限制，樓面成本價(jià)基本接近政府對(duì)商品房的指導(dǎo)價(jià)，利潤空間被嚴(yán)重壓縮。原來以增加贈(zèng)送面積、提高住宅品質(zhì)、增加學(xué)區(qū)配套等增加產(chǎn)品溢價(jià)、提高售價(jià)的傳統(tǒng)方式基本失效。成本控制貫穿在房地產(chǎn)開發(fā)的過程的各個(gè)階段，據(jù)研究在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段對(duì)成本經(jīng)濟(jì)性控制的效果可以達(dá)到全階段的80%左右，而且實(shí)施阻力很小，因此在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行事前控制顯得尤為重要。

設(shè)計(jì)階段結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化主要有三個(gè)方面：

第一個(gè)方面是建筑方案階段，綜合結(jié)構(gòu)、工程、營銷等方面的影響對(duì)建筑總體方案進(jìn)行的優(yōu)化和調(diào)整，一般從建筑專業(yè)入手，通過結(jié)構(gòu)專業(yè)來實(shí)現(xiàn)的，這方面的經(jīng)濟(jì)效益已脫離結(jié)構(gòu)專業(yè)自身，對(duì)建筑適用性、舒適性、美觀性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高建筑品質(zhì)、突出營銷賣點(diǎn)，讓結(jié)構(gòu)、巖土等隱性成本向建筑功能、建筑品質(zhì)、營銷亮點(diǎn)等顯性成本轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)價(jià)值最大化的過程。

第二方面是建筑地基基礎(chǔ)與主體結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化，主要能對(duì)結(jié)構(gòu)總體性能進(jìn)行改進(jìn)、可能還會(huì)對(duì)土方開挖、邊坡支護(hù)、以及人工、機(jī)械等方面的節(jié)約，增加施工便利性，縮短施工工期，優(yōu)化量級(jí)在幾十萬、幾百萬之間，這是廣義的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，也是結(jié)構(gòu)宏觀方面的優(yōu)化。

第三方面是對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的優(yōu)化，主要指標(biāo)是混凝土含量與鋼筋含量來進(jìn)行體現(xiàn)，一般達(dá)到幾萬、上十萬的經(jīng)濟(jì)效益，也是結(jié)構(gòu)微觀方面的優(yōu)化。

本文主要從建筑方案階段、基礎(chǔ)及主體結(jié)構(gòu)方案、結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)選方面談一下作者的心得體會(huì)。

2、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性方案探討

2.1建筑結(jié)構(gòu)總體方案優(yōu)選

建筑方案確定以后，成本也基本確定。

一個(gè)優(yōu)秀的建筑設(shè)計(jì)方案，除了要滿足建筑自身的適用性、美觀性等建筑要求外，還需考慮結(jié)構(gòu)的合理可行性、社會(huì)經(jīng)濟(jì)性。尤其是一般高層住宅建筑應(yīng)滿足最核心的居住功能的要求，避免天馬行空、華而不實(shí)地進(jìn)行所謂的創(chuàng)意。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須從方案階段對(duì)建筑方案提出優(yōu)化改進(jìn)建議，在不影響建筑效果的前提下，解決部分建筑先天不足，對(duì)結(jié)構(gòu)成本控制起到事半功倍的效果。

建筑設(shè)計(jì)應(yīng)重視平面、立面和豎向剖面的規(guī)則性對(duì)抗震性能及經(jīng)濟(jì)合理性的影響，宜注意建筑形體的規(guī)則性、高寬比不宜過大、避免豎向結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換、避免外墻過多的凸出和凹進(jìn)、控制外挑或外挑內(nèi)收尺寸、控制合理的柱跨、居中或?qū)ΨQ布置樓電梯間等方面。普通住宅建筑方案應(yīng)避免特別不規(guī)則甚至結(jié)構(gòu)超限，方便結(jié)構(gòu)專業(yè)能規(guī)則、對(duì)稱地布置結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件，避免側(cè)向剛度和承載力突變。

結(jié)構(gòu)超限的避免和優(yōu)化：

結(jié)構(gòu)超限分為：高度超限和復(fù)雜程度超限。建筑的高度超限的主要決策一般在策劃前期或者土地競(jìng)拍時(shí)已經(jīng)確定，一般不會(huì)由設(shè)計(jì)部門來確定，設(shè)計(jì)師主要對(duì)復(fù)雜程度的超限方式進(jìn)行規(guī)避。前期控制，在方案階段就進(jìn)行充分的溝通，采取一些結(jié)構(gòu)上的處理措施，比如塔樓偏置問題時(shí)適當(dāng)調(diào)整主樓位置，避免7°區(qū)轉(zhuǎn)換層超過5層、凹凸不規(guī)則項(xiàng)增加連接寬度大于2米寬的連接板等。

2.2建筑地基基礎(chǔ)方案優(yōu)選

根據(jù)筆者的多年設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)結(jié)合前人總結(jié)的成果。地基基礎(chǔ)選型一般遵循的優(yōu)先順序是：天然基礎(chǔ)-換填-地基處理-復(fù)合地基-樁基-整體樁筏基礎(chǔ)，基礎(chǔ)選型時(shí)需要綜合考慮采用淺基礎(chǔ)增加的基礎(chǔ)埋深與地基處理、樁基方案的經(jīng)濟(jì)性比較，因地制宜、具體情況具體分析選擇最優(yōu)的基礎(chǔ)方案。

別墅洋房多層普通住宅：

多層住宅宜采用墻下條基、柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，不帶地下室時(shí)基礎(chǔ)應(yīng)盡量淺埋，在天然地基承載力不足的情況，也應(yīng)不急于采用地基處理或樁基礎(chǔ)方案，如果地下空間開發(fā)利用的經(jīng)濟(jì)價(jià)值比較高，可以嘗試增加地下室或地下室層數(shù)。從結(jié)構(gòu)工程角度主要有以下兩方面的優(yōu)點(diǎn)：（1）可能使基礎(chǔ)持力層位于較好的持力土層;（2）可以增加天然地基承載力的深度修正值，對(duì)地基沉降變形也有一定的好處，取得良好的綜合經(jīng)濟(jì)效益。

高層普通住宅建筑：

高層住宅建筑一般附帶單層或多層地下室，在滿足最小嵌固深度的條件下：

小高層住宅建筑如持力層（9-18層）為壓縮模量較小的細(xì)砂、中砂、碎石土等，在承載力特征值在150～200KPa時(shí)，可采用筏板基礎(chǔ)，承載力特征值在200～300KPa時(shí)，可在采用獨(dú)立柱基或條基。

高層住宅建筑如持力層（18-34層）為壓縮模量較小的細(xì)砂、中砂、碎石土等，在承載力特征值在300KPa左右時(shí)，可采用筏板基礎(chǔ)。

但如果帶有軟弱下臥層時(shí)，需驗(yàn)算地基變形是否滿足要求。

當(dāng)天然在土質(zhì)較差的時(shí)候，可以采用CFG樁復(fù)合地基或者普通樁基礎(chǔ)，樁基礎(chǔ)可采用預(yù)應(yīng)力管樁、長(zhǎng)螺旋鉆孔灌注樁、人工挖孔樁、旋挖成孔灌注樁等樁基礎(chǔ)形式。長(zhǎng)沙地區(qū)采用CFG樁復(fù)合地基情形比較少，普通樁基優(yōu)選也需要因地制宜、綜合各方面信息進(jìn)行多方案綜合比較確定。

比如長(zhǎng)沙地區(qū)多為山地丘陵地區(qū)，一般情況下，基巖埋置深度較淺，從上往下依次為粉質(zhì)黏土層，全風(fēng)化巖、強(qiáng)風(fēng)化巖和中風(fēng)化巖、微風(fēng)化巖，各持力層厚度不均，分界不是特別明顯。高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)單樁承載力來確定樁端持力層，一般來說巖埋深較淺時(shí)，優(yōu)先選擇中風(fēng)化、微風(fēng)化層作為樁端持力層，人工挖孔樁擴(kuò)底后，單樁承載力優(yōu)勢(shì)明顯。部分湘江階地含有卵石層較厚、附帶細(xì)砂、粗砂的情況下的基礎(chǔ)選型，一般來說，當(dāng)卵石和碎石土最大粒徑不超過50mm時(shí)，可采用長(zhǎng)螺旋鉆孔灌注樁，并采用樁底樁側(cè)采用高壓注漿后，單樁承載力能提高30%～80%，可以取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2.3建筑主體結(jié)構(gòu)方案優(yōu)選

別墅洋房多層普通住宅：

多層住宅結(jié)構(gòu)形式主要采用普通剪力墻結(jié)構(gòu)、短肢墻較多的剪力墻結(jié)構(gòu)、異形柱框架結(jié)構(gòu)、異形柱-剪力墻結(jié)構(gòu)。需要注意的是異形柱框架結(jié)構(gòu)的高度限值是24米，超過24米要采用異形柱框剪結(jié)構(gòu)，在長(zhǎng)沙6度區(qū)異形柱框剪結(jié)構(gòu)的框架抗震等級(jí)四級(jí)，剪力墻抗震等級(jí)為三級(jí)，底部?jī)蓪有枰O(shè)置約束邊緣構(gòu)件，而對(duì)于普通住宅來說，異型柱的截面大于600后是短柱，箍筋要全高加密，體積配箍率不應(yīng)小于1.2%，含鋼量會(huì)有一定的提升;如果采用剪力墻結(jié)構(gòu)，抗震等級(jí)為四級(jí)，只需要采用構(gòu)造邊緣構(gòu)件，梁由于跨度減小后配筋量也會(huì)減少。這種情況下采用剪力墻結(jié)構(gòu)會(huì)比異形柱框剪結(jié)構(gòu)更加經(jīng)濟(jì)。

高層普通住宅建筑：

剪力墻結(jié)構(gòu)具有承受豎向荷載和水平荷載能力強(qiáng)，整體性好、抗側(cè)力剛度大，抗震性能好，沒有梁柱外露、室內(nèi)空間規(guī)則的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高層住宅建筑。當(dāng)主樓底部一層或幾層需要大空間時(shí)，需對(duì)上部剪力墻進(jìn)行轉(zhuǎn)換，就形成了框支剪力墻結(jié)構(gòu)。由于框支剪力墻抗震性能較差，從結(jié)構(gòu)安全經(jīng)濟(jì)性方面評(píng)估，高層住宅應(yīng)盡量設(shè)計(jì)成普通剪力墻結(jié)構(gòu)。普通剪力墻是指截面長(zhǎng)寬比大于8的剪力墻，短肢剪力墻是指截面長(zhǎng)寬比為4～8的剪力墻。由于短肢剪力墻抗震性能比普通剪力墻要差，高規(guī)規(guī)定在規(guī)定水平力作用下，短肢剪力墻承擔(dān)的底部?jī)A覆力矩不宜大于結(jié)構(gòu)底部總地震力矩的50%，短肢剪力墻其墻身的軸壓比限制及豎向鋼筋的配筋率要求卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通剪力墻結(jié)構(gòu)，除非開發(fā)商對(duì)平面布局靈活性有特殊要求，不宜采用短肢剪力墻結(jié)構(gòu)。

地下車庫底板和樓蓋結(jié)構(gòu)：

對(duì)于普通地下室底板，優(yōu)先采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)或墻下條形基礎(chǔ)+抗水板結(jié)構(gòu)或預(yù)制管樁（長(zhǎng)螺旋鉆孔灌注樁）+抗水板形式。由水浮力較大，整體或局部抗浮不能滿足時(shí)，可以采用降低層高、增加結(jié)構(gòu)自重（如無梁樓蓋頂板）、延伸底板等增加配重措施。在采用抗拔樁或抗浮錨桿的經(jīng)濟(jì)性必選時(shí)，也需結(jié)合基礎(chǔ)底板設(shè)計(jì)及施工工期要求進(jìn)行綜合比較。若基巖埋深較淺時(shí)，采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)時(shí)可優(yōu)先考慮抗浮錨桿;當(dāng)天然地基承載力不能滿足承載力要求時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇抗拔樁基礎(chǔ)，同時(shí)發(fā)揮抗拔樁的承壓作用。

帶種植覆土的地下車庫頂板樓蓋結(jié)構(gòu)，在考慮降低層高的綜合經(jīng)濟(jì)效益、施工便利性方面，優(yōu)先采用無梁樓蓋。必須采用梁板體系時(shí)，采用井字梁結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性明顯優(yōu)于單向次梁及十字梁結(jié)構(gòu)。中間層無人防荷載樓蓋采用雙平行次梁體系最優(yōu)，其次是主梁大板體系。帶人防荷載時(shí)，樓蓋經(jīng)濟(jì)性與頂板樓蓋選型結(jié)論相似。

2.4結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化

結(jié)構(gòu)計(jì)算模型要求參數(shù)定義合理化、精細(xì)化：如平面荷載精細(xì)化、地面粗糙度不隨意選擇B類、梁配筋考慮樓板翼緣T形梁配筋、活荷載根據(jù)規(guī)范進(jìn)行折減。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，滿足規(guī)范限值要求的前提下，盡量控制構(gòu)件余量，避免結(jié)構(gòu)構(gòu)件有過多的冗余。

構(gòu)件細(xì)部的優(yōu)化原則是重視結(jié)構(gòu)概念，做到該加強(qiáng)的部位加強(qiáng)，該弱化部位弱化，強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件等概念性要求，滿足結(jié)構(gòu)安全經(jīng)濟(jì)，盡量減少不必要的浪費(fèi)。

結(jié)語：

在住宅建筑設(shè)計(jì)過程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師應(yīng)該樹立結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)意識(shí)，積極地參與建筑方案階段的前期控制，重概念設(shè)計(jì)，選擇合理的結(jié)構(gòu)選型、優(yōu)化結(jié)構(gòu)豎向和平面布置、綜合考慮巖土、施工、營銷各方面成本，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

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作者簡(jiǎn)介：

楊志富（1984-），男，漢族，湖南長(zhǎng)沙人，本科，工程師，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。