淺析高層住宅建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與成本優(yōu)化

李 智

(廈門海晟房地產(chǎn)開發(fā)有限公司，福建 廈門 361000)

0 前 言

設(shè)計(jì)階段是成本管理的關(guān)鍵階段，設(shè)計(jì)階段的造價(jià)是建安工程費(fèi)用控制的關(guān)鍵，優(yōu)秀的設(shè)計(jì)是項(xiàng)目盈利最基本的保障。設(shè)計(jì)階段成本管理兩大關(guān)鍵要求就是在設(shè)計(jì)任務(wù)書中要求限額設(shè)計(jì)，再組織設(shè)計(jì)結(jié)果評審進(jìn)行成本驗(yàn)算。本文主要針對設(shè)計(jì)階段中建筑結(jié)構(gòu)施工圖設(shè)計(jì)階段，如何通過設(shè)計(jì)優(yōu)化，從而達(dá)到控制成本的目的。

1 工程概況

1.1 建筑設(shè)計(jì)總體概況

某工程位于翔安大道與翔福路交叉口東南側(cè)，總建筑面積58 000 m2，地上總建筑面積43 000 m2，地下室建筑面積15 000 m2，建筑層數(shù)為地上 1～33 層，地下 1 層。包括7棟單體建筑，1#、2#樓33層，總建筑高度97.8 m，底層公共架空，2層至頂層均為住宅； 3#樓32層總建筑高度94.9 m，底層公共架空，2層至頂層均為住宅；4#樓為1層的變電所；5#～7#樓地上為3棟4～6層多層住宅。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程概況

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，建筑抗震設(shè)防類別為丙類，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.15g，設(shè)計(jì)地震分組：第2組；場地類別：Ⅱ類；結(jié)構(gòu)抗震等級：1#～3#樓抗震等級二級，4#～7#樓抗震等級三級。50年一遇的基本風(fēng)壓: 0.80 kN/m2，地面粗糙度:B類。上部結(jié)構(gòu)體系：1#～3#樓為剪力墻結(jié)構(gòu)，4#～7#樓為框架結(jié)構(gòu)。

2 高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的步驟

確認(rèn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原始條件，進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型和布置，手算、估算結(jié)構(gòu)截面，確定上機(jī)計(jì)算各參數(shù)、各荷載，計(jì)算機(jī)建模計(jì)算，根據(jù)電算結(jié)果分析、判斷，進(jìn)行模型調(diào)整計(jì)算，合理后確定繪圖各參數(shù)，繪制施工圖，施工圖檢查調(diào)整，出圖。

2.1.1 結(jié)構(gòu)選型和布置

根據(jù)房屋適用高度和高寬比要求，本項(xiàng)目1#-3#樓建筑高度均在80～100 m，抗震設(shè)防烈度為7度，參考表1可選用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)體系。框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是能獲得較大的空間、房間布置靈活，但框架柱截面尺寸較大。剪力墻結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是室內(nèi)沒有外凸的柱角，方便家具的布置和分隔，有利于分戶、防火、防盜、隔聲，但空間靈活性較大。本工程為住宅項(xiàng)目，結(jié)合兩種結(jié)構(gòu)體系各自的特點(diǎn)，采用剪力墻結(jié)構(gòu)體系更能符合功能性、適用性要求。

表1 A級高度鋼筋混凝土高層建筑的最大適用高度 單位：m

確定剪力墻的布置原則是剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵第一步。剪力墻結(jié)構(gòu)體系中，剪力墻除承受豎向荷載外，還要承受水平力的作用，抵抗水平力能力的大小由剪力墻結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度大小決定，而剪力墻布置的位置、長度、厚度決定了剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度和剛度分布。為得到較大的平面剛度和抗扭剛度，剪力墻結(jié)構(gòu)中剪力墻要遵循 “周邊、對稱、成對、封閉”等布置原則。

2.1.2 估算結(jié)構(gòu)截面

按規(guī)范要求，本工程高層建筑剪力墻厚度底部加強(qiáng)部位不應(yīng)小于200 mm。結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，30層左右高層初選剪力墻截面厚度為200～350 mm，宜按300 mm厚進(jìn)行估算。剪力墻的長度宜取8倍或8倍以上厚度，且不宜大于8 m，避免出現(xiàn)墻肢長度不大于墻厚的3倍的過短墻肢或過長的墻肢。同時(shí)考慮建筑門、窗洞口的位置初步確定剪力墻的長度。

2.1.3 電算結(jié)果分析、判斷

通過PKPM或YJK電腦計(jì)算軟件建立結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型，布置構(gòu)件，輸入荷載和計(jì)算參數(shù)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算得出結(jié)果。電算結(jié)果分析、判斷目標(biāo)主要參數(shù)如下：①軸壓比，控制剪力墻在垂直重力荷載作用下的平均軸壓比水平 為0.5左右，以保證經(jīng)濟(jì)性；②剪重比，主要為控制各樓層最小地震剪力，確保結(jié)構(gòu)安全性；③剛度比和層間受剪承載力比，主要為控制結(jié)構(gòu)豎向規(guī)則性，以免豎向剛度突變，形成薄弱層，確保結(jié)構(gòu)安全性和設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性；④周期比、位移比，主要為控制結(jié)構(gòu)平面規(guī)則性，以避免產(chǎn)生過大的偏心而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，減小扭轉(zhuǎn)對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響，剪力墻結(jié)構(gòu)位移比控制在1/1000以內(nèi)并盡量接近，確保設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性；⑤剛重比，主要為控制結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，避免結(jié)構(gòu)在風(fēng)載或地震力的作用下整體失穩(wěn)，確保結(jié)構(gòu)的安全性。

2.1.4 繪制施工圖

在施工圖繪制階段，按電算結(jié)果確定的構(gòu)件截面、混凝土強(qiáng)度、配筋數(shù)據(jù)等信息，以規(guī)范和圖集要求的制度標(biāo)準(zhǔn)，繪制出符合深度要求的結(jié)構(gòu)施工圖。在電算階段主要是解決結(jié)構(gòu)整體的安全性問題，施工圖階段主要是要考慮建筑構(gòu)造要求，保證建筑結(jié)構(gòu)的耐久性要求，同時(shí)，施工圖應(yīng)能滿足現(xiàn)場施工的深度和細(xì)度要求。

2.2 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成本控制要點(diǎn)

2.2.1 重視概念設(shè)計(jì)

了解鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)整體性好，側(cè)向剛度大，承載力大，但空間靈活性較差、結(jié)構(gòu)自重較大的特性，發(fā)揮其所長，克服其所短，重視概念設(shè)計(jì)。從總體上合理布置剪力墻的位置，確定剪力墻的數(shù)量、剪力墻的長度、剪力墻的厚度，保證剪力墻結(jié)構(gòu)剛度均勻和剛度適宜。

2.2.2 重視規(guī)則性

應(yīng)重視其平面、立面和豎向剖面的規(guī)則性對抗震性能及經(jīng)濟(jì)合理性的影響，宜擇優(yōu)選用規(guī)則的形體，其抗側(cè)力構(gòu)件的平面布置宜規(guī)則對稱、側(cè)向剛度沿豎向宜均勻變化、豎向抗側(cè)力構(gòu)件的截面尺寸和材料強(qiáng)度宜自下而上逐漸減小、避免側(cè)向剛度和承載力突變。高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)控制建筑的高寬比、長寬比、立面的凹凸、樓板開洞、豎向構(gòu)件不連續(xù)等指標(biāo)。

2.2.3 重視結(jié)構(gòu)層高

結(jié)構(gòu)側(cè)移已成為高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。隨著建筑高度增加，水平荷載作用下結(jié)構(gòu)側(cè)向變形迅速增大，結(jié)構(gòu)側(cè)移與高度呈四次方關(guān)系上升。在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，不僅要求結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度，而且要求具有足夠的抗側(cè)移剛度，以保證結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形?？刂茖痈?，可降低水平力的作用，減少抗側(cè)移構(gòu)件面積，進(jìn)而降低成本。據(jù)經(jīng)驗(yàn)，層高每增加10 cm，土建建造成本增加2%～5%。

2.2.4 重視荷載

1)從荷載組合上，把握好地下室頂板覆土厚度和頂板消防車荷載、施工活荷載的控制，應(yīng)考慮覆土層擴(kuò)散作用對消防車荷載的折減，覆土荷載和施工活荷載不同時(shí)組合。

2)從材料選擇上，內(nèi)、外隔墻盡量選用輕質(zhì)材料，減小豎向作用荷載。

2.2.5 重視電算參數(shù)

合理考慮周期折減系數(shù)、雙向地震扭轉(zhuǎn)效應(yīng)、偶然偏心、斜交抗側(cè)力構(gòu)件方向的附加地震作用等電算參數(shù)。周期折減系數(shù)的取值直接影響到剪力墻的配筋，盲目折減，造成剛度過大，吸收的地震作用也增大，導(dǎo)致剪力墻配筋增大?？紤]雙向地震作用后結(jié)構(gòu)配筋一般增加5%～8%，單構(gòu)件最大可能增加1倍左右?？刂莆灰票炔怀瑯?biāo)是是否考慮雙向地震作用的關(guān)鍵。考慮偶然偏心后結(jié)構(gòu)墻及梁用鋼量將增加3%左右。考慮多方向地震對構(gòu)件配筋平均增加5%左右。

3 剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 剪力墻布置位置的優(yōu)化

7度區(qū)高層住宅剪力墻結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)層單位面積含鋼量中，剪力墻墻身用鋼量約占45%～65%，剪力墻邊緣構(gòu)件用鋼量約占30%～50%。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)特別注意剪力墻的布置，減少不必要的暗柱布置，具體可采取如下措施：強(qiáng)周邊、弱中部；多均勻長墻、少短墻；多L形、T形、十字形墻肢、少復(fù)雜形狀；沿高度均勻變化；各墻肢軸壓比接近。

3.2 剪力墻數(shù)量、長度及厚度的優(yōu)化

1)剪力墻的布置數(shù)量可利用層間位移角指標(biāo)來控制，純剪結(jié)構(gòu)的層間位移角盡可能接近限值1/1000，使結(jié)構(gòu)體系剛度適宜，剪力墻的布置數(shù)量合理。

2)剪力墻長度除盡量避免出現(xiàn)短肢剪力墻外，還應(yīng)限制墻肢的軸壓比，控制在0.5左右為宜。

3)剪力墻厚度在滿足墻體穩(wěn)定性驗(yàn)算、剪力墻軸壓比限值等要求外，宜按規(guī)范要求的最小剪力墻厚度取整50 mm進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.3 其他設(shè)計(jì)優(yōu)化

1)剪力墻混凝土強(qiáng)度，宜沿樓層從下到上逐漸降低，100 m以內(nèi)高層，低層不宜超C45，上部樓層以C30為宜，頂部可降低到C25。

2)暗梁布置，純剪力墻結(jié)構(gòu)在樓層處不必設(shè)置暗梁。

3)梁板布置時(shí)，梁的經(jīng)濟(jì)跨度一般為3.0～5.0m之間，樓板厚度一般按撓度、裂縫及板內(nèi)設(shè)備穿管的最低要求取值。

4)剪力墻配筋時(shí)，要嚴(yán)格區(qū)分底部加強(qiáng)部位和非加強(qiáng)部位，對墻段豎向分布筋等通常不由內(nèi)力控制的鋼筋，僅需按最小配筋率配制，不須提高其配筋量。

3.4 本項(xiàng)目高層住宅優(yōu)化簡述

1)內(nèi)部隔墻厚度優(yōu)化，部分墻體厚度由200厚改成100 mm厚，減少材料費(fèi)用，同時(shí)，減低結(jié)構(gòu)荷載。

2)剪力墻厚度優(yōu)化，Y向布置剪力墻其中1、4、6、8、10、13、15、18軸29層至33層墻體厚度由250 mm改成200 mm，X向布置剪力墻其中D、E軸2層至33層墻體厚度由250 mm改成200 mm。

3)次梁架立筋配筋優(yōu)化，將次梁的原設(shè)計(jì)架立筋由2C12修改為2C10；未設(shè)計(jì)架立筋的，將通長鋼筋改成2C 10架立筋。

4)約束邊緣構(gòu)件配筋優(yōu)化，將墻肢軸壓比小于0.4的約束邊緣構(gòu)件箍筋由C 10@100改成C 8@100。

5)外墻裝飾線條節(jié)點(diǎn)大樣優(yōu)化。

6)通過采取上述建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化措施，節(jié)約建安成本約30萬元。

4 結(jié) 語

工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段，在滿足安全性、耐久性的前提下，對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，有利于實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性。作為設(shè)計(jì)人員和設(shè)計(jì)管理人員都應(yīng)該對此高度重度，并在工程實(shí)踐中運(yùn)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法，將技術(shù)和經(jīng)濟(jì)有機(jī)結(jié)合，以提高項(xiàng)目的投資效益。

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