楊信 石建光 陳家偉

(廈門大學土木工程系 福建廈門 361000)

某高層酒店結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化設(shè)計

楊信 石建光 陳家偉

(廈門大學土木工程系 福建廈門 361000)

某高層酒店為一棟40層超限高層建筑，房屋高度為174.1m，采用框架核心筒結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在34層位置采用了梁式轉(zhuǎn)換。為了節(jié)約建造成本，優(yōu)化方從荷載的精確取值、梁系布置及樓板厚度的調(diào)整、型鋼柱型鋼尺寸調(diào)整、剪力墻開洞及厚度調(diào)整、柱的準確歸并及計算軟件的選擇等方面對該工程進行優(yōu)化。最終，與原方案相比，優(yōu)化方案節(jié)省鋼筋576.44t，型鋼183.46t，混凝土1838.7m3，總計節(jié)省直接材料費337.5萬元。

高層酒店；超限；優(yōu)化設(shè)計；結(jié)構(gòu)計算指標；工程量

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0 引言

某高層酒店是由酒店塔樓、辦公塔樓、商業(yè)裙房、地下室組成的建筑群。本文僅對酒店塔樓工程深入優(yōu)化展開敘述。酒店塔樓為一棟40層超限高層酒店建筑，主體建筑高度H=174.10m，屬于高規(guī)[1]中B級高度的建筑，結(jié)構(gòu)高寬比174.1/32.0=5.44，酒店塔樓的長寬比L/B=32.0/32.0=1.0。地面一層有部分越層柱直通二層，因此在計算的時刻需要考慮包絡(luò)設(shè)計。到35層以上結(jié)構(gòu)平面內(nèi)收，采用了梁式轉(zhuǎn)換，12根框架柱對4跟進行了轉(zhuǎn)換，因此豎向存在不規(guī)則，同時35層平面層高變?yōu)?.4m，36層層高4.5m，懸殊的層高導致豎向剛度突變，35層為薄弱層。

工程設(shè)計使用年限50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級二級，地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級，抗震設(shè)防類別為丙類[2]，抗震設(shè)防烈度為6度，水平地震響應(yīng)系數(shù)最大值為0.052，場地類別為Ⅱ類，設(shè)計地震分組為第一組，Tg=0.40s，基本風壓ω0=0.35kN/m2地面粗糙度為B類。最終整體結(jié)構(gòu)模型見圖1，最終結(jié)構(gòu)平面圖見圖2、圖3所示。

圖2 35層以下標準層建筑平面圖

圖3 35層以上標準層建筑平面圖

1 方案優(yōu)化

1.1 荷載

方案優(yōu)化階段,對荷載進行精確取值，除了按照實際梁高對梁間荷載進行調(diào)整，將梁間荷載乘以相應(yīng)的折減系數(shù)之外，還將幕墻荷載按照實際取值。原方案將幕墻荷載統(tǒng)一按照層高較高的樓層的幕墻荷載取值，導致大部分樓層的幕墻荷載偏大。例如：原方案中，層高5.0m以及4.0m的幕墻荷載全部按照5.0m×2.0kN/m2=10.0kN/m取值?，F(xiàn)在，將幕墻荷載按照實際層高取值，將層高為4m的樓層的幕墻荷載通過實際計算，按照4.0m×2.0kN/m2=10.0kN/m取值，與原方案之間相差20%。優(yōu)化后，施加在外圈梁上的幕墻荷載減小了許多。

1.2 梁

優(yōu)化方提出，將縱橫向的次梁搭接到核心筒剪力墻上，這樣有利于結(jié)構(gòu)傳力。實際情況由于核心筒周圍是酒店走廊，上方盡量不要通梁，并且設(shè)備專業(yè)已經(jīng)將管道、設(shè)備布置完畢，不能修改，更不能讓管道穿過次梁。若能在方案階段就對建筑及設(shè)備專業(yè)提出建議，便可協(xié)調(diào)各個專業(yè)，使得最終設(shè)計方案趨于最優(yōu)。因此在深入優(yōu)化中，優(yōu)化方將次梁搭接到核心筒上，增加梁系布置的整體性[3]。

1.3 墻

原方案中，剪力墻上下開洞不連續(xù)，并且剪力墻按統(tǒng)一厚度直通頂層。方案優(yōu)化階段，優(yōu)化方對局部剪力墻上下開洞不連續(xù)，僅按照建筑開門洞的做法做出相應(yīng)調(diào)整，優(yōu)化后，在剪力墻局部位置補開結(jié)構(gòu)洞，補開結(jié)構(gòu)洞，即在三十五層至四十層南側(cè)核心筒補開800mm×2000mm的結(jié)構(gòu)洞，使上下剪力墻間開洞連續(xù)。同時，相應(yīng)減小剪力墻的厚度，即將三十五層至四十層的剪力墻厚度由原先的300mm減小為250mm[4]。

1.4 柱

原優(yōu)化方案，設(shè)計方柱的施工圖歸并系數(shù)過大，將配筋量差別較大的柱子統(tǒng)一按照較大配筋量的柱子歸并，導致許多柱子配筋過大。例如，36至40層，KZ8的計算縱筋值為91，而實配卻達到了129，之間相差了29.46%。方案優(yōu)化階段，減小了歸并系數(shù)，盡量按照實際情況對結(jié)構(gòu)柱進行配筋。

1.5 結(jié)構(gòu)計算軟件的選擇

盈建科軟件對剪力墻連梁提供按照分縫連梁設(shè)計、配置斜向交叉鋼筋等減少連梁內(nèi)力或配筋的措施；對帶邊框柱或型鋼、型鋼混凝土柱剪力墻的配筋按照柱和剪力墻組合在一起的工形截面或T形截面配筋，可使邊緣構(gòu)件配筋量大大減少；對剪力墻軸壓比自動采用組合墻肢方式計算，給出全新的剪力墻邊緣構(gòu)件設(shè)計結(jié)果等。因此優(yōu)化方提出使用盈建科軟件進行結(jié)構(gòu)計算及設(shè)計能夠利用該軟件上述優(yōu)勢，使得配筋量上得以優(yōu)化。在深入優(yōu)化中，采用盈建科軟件進行結(jié)構(gòu)計算與設(shè)計。

2 方案優(yōu)化結(jié)果

通過方案優(yōu)化，不僅結(jié)構(gòu)計算指標仍然符合相應(yīng)規(guī)范的要求，工程量有了更多的節(jié)省。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)計算指標與原方案的對比，如表1所示：

優(yōu)化后的工程量與原方案工程量的對比，如表2、表3所示：

表1 結(jié)構(gòu)計算指標對比

表2 方案優(yōu)化前后鋼材用量變化表

注：數(shù)值為正表示增加，數(shù)值為負表示減少。

表3 方案優(yōu)化前后混凝土用量變化表

注：數(shù)值為正表示增加，數(shù)值為負表示減少。

3 施工圖優(yōu)化

結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以是從方案、施工圖兩個階段分別介入進行。對于方案階段的優(yōu)化，由于介入早，各專業(yè)的溝通協(xié)調(diào)方便，可以提出的優(yōu)化建議多，因此優(yōu)化的空間大；而施工圖階段的優(yōu)化，由于介入時間晚，許多方面已經(jīng)無法修改，僅能對施工圖進行細致審核優(yōu)化，因此優(yōu)化空間受限，許多優(yōu)化方案無法實施。施工圖階段的優(yōu)化，優(yōu)化方與設(shè)計方溝通交流后，經(jīng)業(yè)主方認可，決定僅對荷載、梁系布置、板厚以及型鋼柱進行優(yōu)化設(shè)計。

3.1 荷載的精確取值

原方案在荷載的選取上偏于保守，對于高度比較大的梁，其下層梁上的荷載統(tǒng)一按較小梁高計算梁上荷載。大部分的次梁，梁上荷載計算時直接按照梁高高的取值，所以荷載取值過大。某些梁間荷載沒有乘以門窗折減系數(shù)。因此，本工程對梁間荷載進行調(diào)整，按照實際梁高對梁間荷載進行了調(diào)整，并且將梁間荷載乘以相應(yīng)的折減系數(shù)。通過荷載精確計算后，建筑結(jié)構(gòu)自重減小了約9.03%。

3.2 梁系布置及樓板厚度的調(diào)整

原方案角部有四根斜梁連接角柱與核心筒，此種布置方案使得結(jié)構(gòu)構(gòu)件傳力不夠明確，并且產(chǎn)生一系列不規(guī)則的樓板，同時有四根大梁交接于在核心筒角部位置，嚴重影響該位置的施工。因此，本項目對原方案進行了調(diào)整，次梁的布置形式改成了雙向或者十字、井字梁布置形式，雖然次梁的數(shù)目有所增加，但主梁與次梁的截面面積均減小，總的配筋量降低，樓板厚度適當減小，樓板的配筋也適當減少(圖4、圖5)。

圖4 原方案樓板結(jié)構(gòu)布置

圖5 優(yōu)化后樓板結(jié)構(gòu)布置

3.3 型鋼柱優(yōu)化

本項目對型鋼柱中鋼骨尺寸進行優(yōu)化，使型鋼柱的含鋼率滿足規(guī)范規(guī)定的大于4%，小于10%的要求[5-6]，考慮到經(jīng)濟性，盡量使含鋼率控制在4%左右。本項目還對型鋼柱直通的樓層數(shù)進行優(yōu)化調(diào)整。通過計算優(yōu)化后，如表1所示，位移角、周期比、剪重比等技術(shù)指標與原方案相比，變化不大，最大位移比，結(jié)構(gòu)總質(zhì)量，周期等參數(shù)甚至比原方案更加優(yōu)越，在滿足相關(guān)規(guī)范要求下，最后型鋼柱從底層直通到二十七層，相比于原方案，優(yōu)化后型鋼用量減少了20.84%。

4 方案優(yōu)化與施工圖優(yōu)化對比

通過施工圖優(yōu)化，使得結(jié)構(gòu)施工圖配筋量明顯下降，梁、柱、剪力墻的鋼筋用量、混凝土用量、型鋼用量有了明顯的減少；雖然優(yōu)化后，結(jié)構(gòu)計算指標相比于原方案有所下降，但是均滿足相應(yīng)規(guī)范的要求[7-8]，不會影響結(jié)構(gòu)的正常使用。主要原因在于，通過荷載精確取值與樓蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使得結(jié)構(gòu)總重量有了明顯的減小，樓蓋結(jié)構(gòu)傳力更加明確；隨之帶來的影響是，梁、柱、剪力墻的配筋都減少，樓板厚度可以調(diào)薄，甚至型鋼柱的直通樓層數(shù)都相應(yīng)減少。因此對于工程設(shè)計而言，荷載的選取和樓蓋結(jié)構(gòu)的選取是至關(guān)重要的。

雖然施工圖優(yōu)化工作取得一定成果，但是由于介入該工程的時間是在設(shè)計院完成了結(jié)構(gòu)設(shè)計之后，許多建筑方案，結(jié)構(gòu)方案，設(shè)備方案等不允許調(diào)整。因此優(yōu)化工作只能從荷載的精確取值、梁系布置及樓板厚度的調(diào)整及型鋼柱的優(yōu)化三個方面進行。若優(yōu)化工作能從方案階段介入，進行方案優(yōu)化，統(tǒng)籌全局，協(xié)調(diào)建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備等各個專業(yè)，對各個專業(yè)的設(shè)計方案提出優(yōu)化建議，并且能將優(yōu)化方的優(yōu)化建議落實到工程中去，那么優(yōu)化的成果將有進一步的進展。

方案優(yōu)化節(jié)省鋼筋576.44t，型鋼183.46t，混凝土1838.7m3，通過查閱工程同期的鋼筋、型鋼、混凝土的政府建議價格，估計方案優(yōu)化節(jié)省直接材料費423.4萬元。施工圖優(yōu)化大約節(jié)省直接材料費337.5萬元，方案優(yōu)化比施工圖優(yōu)化多節(jié)省了材料費25.45%，充分體現(xiàn)了方案優(yōu)化相對于施工圖優(yōu)化的優(yōu)越性。

5 結(jié)論及建議

通過本次工程的優(yōu)化設(shè)計，充分體現(xiàn)出優(yōu)化單位對于一個工程項目的重要性。優(yōu)化單位所要做的不僅僅是代表業(yè)主方的利益進行優(yōu)化工程量，節(jié)省鋼筋、混凝土，改進結(jié)構(gòu)設(shè)計，方便施工，節(jié)省工期等，還要統(tǒng)籌兼顧全局，協(xié)調(diào)整個項目當中各個單位之間的工作，積極與業(yè)主方以及設(shè)計方進行溝通交流，促進工作順利進行，盡量避免返工。各方應(yīng)進行積極溝通與配合，確保優(yōu)化工作有條不紊地進行。再次，筆者建議：

(1)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，應(yīng)從項目方案階段就介入，了解設(shè)計方各個專業(yè)之間的工作，從建筑方案階段就對各個專業(yè)提出優(yōu)化建議，避免已經(jīng)出了結(jié)構(gòu)施工圖以后，再進行優(yōu)化，那樣協(xié)調(diào)各方將會變得困難，想要相關(guān)專業(yè)進行變更也就變得不切實際。

(2)優(yōu)化設(shè)計應(yīng)細致入微，不可一切均遵循經(jīng)驗辦事，更不可因為麻煩而將荷載按照統(tǒng)一大小布置，將配筋的歸并系數(shù)放大，使得配筋量差異較大的構(gòu)件，按照統(tǒng)一的配筋量進行配筋。

(3)結(jié)構(gòu)設(shè)計不能僅僅滿足于規(guī)范規(guī)定，刻意保守設(shè)計，造成不必要的浪費，還應(yīng)充分調(diào)動項目各方的工作積極性，發(fā)揮設(shè)計人員、優(yōu)化人員的聰明才智，使得優(yōu)化設(shè)計出來的成果，即安全可靠，又經(jīng)濟適用[9]。

(4)優(yōu)化設(shè)計，要兼顧施工成本與工期，盡量做到不僅結(jié)構(gòu)性能指標滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)整體還便于施工，成本上，工期上均為業(yè)主方創(chuàng)造最大利益。

[1]JGJ3-2010,高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[2]GB 50223-2008,建筑工程抗震設(shè)防分類標準[S].

[3]江歡成,丁朝輝,杜剛,等.重慶某超限高層結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].建筑結(jié)構(gòu).2004,34(6),3-6.

[4]康為江,酈世平.高層建筑中豎向結(jié)構(gòu)的選型與布置探討[J].建筑技術(shù).2005,36,(11).858-860.

[5]YB9082-2006，鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[6]JGJ 138-2001，型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[7]GB 50010-2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[8]GB 50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[9]沈汝偉.對建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的探討[J].煤炭技術(shù).2011,30(4).242-243.

楊 信(1990.6- )，男，碩士研究生，主要從事鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的性能和設(shè)計方法及動力反應(yīng)分析方面的研究。

石建光(1962.2- )，男，碩士生導師，主要從事鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的性能和設(shè)計方法及動力反應(yīng)分析方面的研究。

陳家偉(1991.4- )，男，碩士研究生，主要從事鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的性能和設(shè)計方法及動力反應(yīng)分析方面的研究。

A high-rise hotel structure optimization design

YANGXinSHIJianguangCHENJiawei

(Department of Civil Engineering, Xiamen University, Xiamen 361000)

A high-rise hotel is a 40-story High-rise buildings, houses a height of 174.1 meters, using the framework of the core tube structure which position adopted at the 34th floor beam conversion. In order to save construction costs, optimize the load side from the exact value of the beam line layout and adjustment of the slab thickness, type of steel column-beam sizing, shear wall openings and adjust the thickness of the column and calculate accurately merge software selection and other aspects of the project optimization. Eventually, compared with the original plan, optimization save steel 576.44t, 183.46t of steel, concrete 1838.7m3, saving a total of 3.375 million yuan direct material costs.

High-rise hotel;Overrun;Optimal design;Structural calculation index;Quantities

楊信(1990.6- )，男。

2015-10-14

TU973

A

1004-6135(2015)12-0060-05