1、高層住宅設(shè)計(jì)中的三輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化法韓葆銓(長(zhǎng)江都市建筑設(shè)計(jì)公司，南京210002)摘要：近年來(lái)，開(kāi)發(fā)商對(duì)建筑物含鋼量日益重視，本文從結(jié)構(gòu)優(yōu)化的角度出發(fā)，探討了 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中如何分步驟、科學(xué)的降低建筑物的含鋼量。關(guān)鍵詞：高層住宅三輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化含鋼量前言當(dāng)前，我們國(guó)家在大力提倡節(jié)能環(huán)保。而具體到建筑行業(yè)，開(kāi)發(fā)商對(duì)生產(chǎn)活動(dòng)經(jīng)濟(jì)性控 制的愿望不僅來(lái)自于外部環(huán)境的壓力，同樣也是維系自身發(fā)展的迫切要求，因?yàn)榻陙?lái)開(kāi)發(fā) 商的利潤(rùn)占建筑項(xiàng)目投資總額的比重在下降。土建工程造價(jià)一般占建筑工程總造價(jià)的70% 80%，土建工程造價(jià)中，約75%為材料 費(fèi)，材料費(fèi)中鋼筋費(fèi)約占40% 70%。因此，開(kāi)發(fā)商把降低含鋼量看成是建筑

2、項(xiàng)目降低造 價(jià)的關(guān)鍵因素。某著名專(zhuān)業(yè)地產(chǎn)公司南京地區(qū)大高層住宅的含鋼量指標(biāo)僅為47.5公斤/平米， 開(kāi)發(fā)商對(duì)設(shè)計(jì)單位含鋼量控制的要求之嚴(yán)由此可見(jiàn)一斑。本文準(zhǔn)備從結(jié)構(gòu)優(yōu)化的角度出發(fā)，探討結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中如何分步驟、科學(xué)的降低建筑 物的含鋼量。因?yàn)榻ㄖ锏暮摿侩S高度、結(jié)構(gòu)類(lèi)型的不同差別很大，下文主要針對(duì)高層剪 力墻結(jié)構(gòu)的住宅。第一輪優(yōu)化：參與建筑方案的設(shè)計(jì)當(dāng)前的住宅設(shè)計(jì)方案有越來(lái)越復(fù)雜的趨勢(shì)，尤其平面凹凸多、開(kāi)大洞等情況非常常見(jiàn)。 建筑方案階段往往只有設(shè)計(jì)公司的方案組或者是專(zhuān)業(yè)方案公司參與，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師參與程度極 低。其實(shí)結(jié)構(gòu)布置合理是建筑物造價(jià)經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師應(yīng)該在方案階段主動(dòng)與建筑師 溝通

3、，在充分尊重業(yè)主意愿的前提下，盡量控制建筑物的規(guī)則性。1.1平面規(guī)則性控制減少平面凹凸平面凹凸少，則墻體面積相對(duì)于單層平面面積的比值就小，則墻體用鋼量就少。剪力墻 體的用鋼量占總用鋼量的比重50%左右，所以減少平面凹凸對(duì)降低含鋼量效果顯著。另外， 如果凹凸程度接近高規(guī)給定的限值，模型計(jì)算時(shí)地震作用在凹凸部位的墻體中產(chǎn)生較大內(nèi) 力，計(jì)算配筋會(huì)比較大。降低長(zhǎng)寬比平面長(zhǎng)寬如達(dá)到56,建筑物兩主軸方向的動(dòng)力特性相差甚遠(yuǎn)，在水平力(地震或風(fēng)力) 作用下，兩向構(gòu)件受力的不均勻性構(gòu)成配筋不均勻，使得其單位面積用鋼量相對(duì)于平面長(zhǎng)寬 比接近1.0的建筑物要多。減少平面開(kāi)大洞平面開(kāi)大洞首先會(huì)引起墻體面積增加，筆者

4、曾經(jīng)做過(guò)一個(gè)在核心筒兩側(cè)架設(shè)空中走廊 的大高層，墻率(扣除門(mén)窗洞口的剪力墻橫截面面積與樓層結(jié)構(gòu)面積之比)達(dá)到了 6.5%， 而根據(jù)經(jīng)驗(yàn)高層剪力墻住宅的經(jīng)濟(jì)墻率是5%左右。另外，平面開(kāi)大洞使得模型計(jì)算時(shí)地震作用扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯，在周邊墻體中產(chǎn)生較大內(nèi) 力。前述大高層兩側(cè)山墻全長(zhǎng)全高采用了 250厚砼墻來(lái)抵抗地震扭轉(zhuǎn)作用。而同一地區(qū)、同 一高度的另一棟大高層因?yàn)槠矫嬉?guī)則對(duì)稱(chēng)，僅1層架空層兩側(cè)山墻端部用了 250厚砼墻，上 部山墻端部全采用200厚砼墻。1.2豎向規(guī)則性控制(1)降低高寬比豎向高寬比大，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性差，結(jié)構(gòu)整體傾覆彎矩在平面較短方向上產(chǎn)生較大的內(nèi) 力，增加了墻體的計(jì)算配筋。避免豎向薄弱

5、層地上首層如果做成架空層容易變成結(jié)構(gòu)上的薄弱層，薄弱層要根據(jù)抗規(guī)加大地震力計(jì) 算，增大了墻體的計(jì)算配筋。可以通過(guò)加大架空層砼墻厚度或者降低架空層高度的方法避免 結(jié)構(gòu)上的薄弱層。避免轉(zhuǎn)換層豎向如有轉(zhuǎn)換層，高層的抗震等級(jí)按抗規(guī)提高，模型計(jì)算的構(gòu)件內(nèi)力增大，轉(zhuǎn)換層配筋 是標(biāo)準(zhǔn)層的3倍，轉(zhuǎn)換層以下每層的配筋是標(biāo)準(zhǔn)層的1.5倍。所以結(jié)構(gòu)師應(yīng)努力避免在高層 住宅中設(shè)轉(zhuǎn)換層，如能控制僅少量墻肢不落地且其負(fù)荷面積占樓層面積范圍很小時(shí)(小于 10%)，可按僅個(gè)別構(gòu)件轉(zhuǎn)換考慮，不必把整個(gè)層都作為轉(zhuǎn)換層。第二輪優(yōu)化：模型計(jì)算注意事項(xiàng)正確選取荷載樓面(屋面)附加恒載、墻體線(xiàn)荷載應(yīng)根據(jù)具體項(xiàng)目建筑做法計(jì)算。樓面活載取值

6、應(yīng) 按照荷載規(guī)范取用，不要隨意放大。對(duì)于一些特殊功能的區(qū)域，應(yīng)會(huì)同其他專(zhuān)業(yè)共同決定荷 載的取值。正確選取模型前處理參數(shù)以SATWE結(jié)構(gòu)計(jì)算為例，目前不同的設(shè)計(jì)公司會(huì)有些不同的規(guī)定，這里僅列舉一些普 遍認(rèn)同的正確參數(shù)的選取：梁彎矩放大系數(shù)是SATWE早期為沒(méi)有做活載最不利布置而設(shè) 定的，如已經(jīng)選擇了活載不利布置的，則該系數(shù)不再需要放大。梁剛度放大系數(shù)主要是考慮 現(xiàn)澆樓板作為梁的有效翼緣提高了樓面梁的剛度，住宅設(shè)計(jì)中中梁取1.6較合理(該系數(shù)與梁 高、板厚、板的邊界條件有關(guān))，如人為放大梁剛度會(huì)引起配筋增加。住宅設(shè)計(jì)時(shí)傳給基 礎(chǔ)的活荷載應(yīng)該選擇折減。另外，在模型計(jì)算時(shí)通過(guò)調(diào)整建筑物周邊墻體剛度，調(diào)

7、整平面剛度中心接近平面質(zhì)量 中心，可顯著減小高層住宅的地震扭轉(zhuǎn)效應(yīng)(體現(xiàn)在計(jì)算結(jié)果中的周期比和位移比)，從而減 小墻體中的計(jì)算配筋。梁、板布置合理性住宅建筑板跨往3.0m4.0m靠，樓板厚度往100mm120mm靠，不要遇隔墻就設(shè)梁，可 以在板上砌墻。如果板跨小，布梁多時(shí)肯定用鋼量會(huì)增多。通過(guò)調(diào)整梁截面和板厚，使梁、 板配筋率盡量遠(yuǎn)離最大配筋率。第三輪優(yōu)化：合理選擇基礎(chǔ)形式和構(gòu)造措施合理選擇基礎(chǔ)形式高層住宅的基礎(chǔ)造價(jià)約占總造價(jià)比重很大，正確選擇基礎(chǔ)類(lèi)型、合理布置基礎(chǔ)將會(huì)降低 造價(jià)。除小高層外，高層住宅通常采用樁筏基礎(chǔ)或者樁基承臺(tái)基礎(chǔ)。采用樁基時(shí)，需進(jìn)行樁型、 樁徑、樁長(zhǎng)等多方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較，

8、而且要同時(shí)考慮承臺(tái)造價(jià)。不同地質(zhì)情況可選用不同 樁型，地基土對(duì)樁的支承能力盡量接近樁身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。布樁時(shí)按群樁形心、荷載中心、基礎(chǔ) 形心“三心”盡量靠近原則作優(yōu)化調(diào)整。少用聯(lián)合承臺(tái)，避免或減少一柱一樁，盡量將樁布 置在墻下，這樣上部荷載直接傳遞給樁，承臺(tái)厚度可適當(dāng)減小。筏板基礎(chǔ)宜適當(dāng)出挑，一般 出挑0.5m 2m左右，有基礎(chǔ)梁時(shí)宜將梁一起出挑。合理選擇構(gòu)造措施砼墻體分布筋、樓板鋼筋和梁柱箍筋用量巨大，應(yīng)注意滿(mǎn)足砼規(guī)、高規(guī)、抗規(guī)等要求 即可。高層住宅底部加強(qiáng)部位根據(jù)計(jì)算結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)適當(dāng)加強(qiáng)墻體配筋，上部墻體構(gòu)造邊緣構(gòu)件 縱筋、箍筋和墻體分布筋根據(jù)高層規(guī)范配筋，不可以隨意增加。地下室頂板、住宅平面兩端 部的樓板、轉(zhuǎn)換層樓板、平面開(kāi)大洞周邊的樓板、平面較大凹進(jìn)或凸出的樓板、住宅頂層的 樓板，這些特殊樓板根據(jù)高層規(guī)范、住宅通病防治規(guī)定、超限高層審查規(guī)定等適當(dāng)增加配筋， 不可以隨意增加。結(jié)語(yǔ)因?yàn)楸疚拈_(kāi)頭所提到的原因，今后若干年開(kāi)發(fā)商對(duì)建筑物含鋼量的控制會(huì)越來(lái)越重視。 另一方面，國(guó)家新的抗規(guī)對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算和構(gòu)造措施的要求又越來(lái)越嚴(yán)。在這樣的“兩難”處境 下，結(jié)構(gòu)師只有深入學(xué)習(xí)規(guī)范條文，努