肖　雷（安徽省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥 230022）

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高層住宅結(jié)構(gòu)體型優(yōu)化設(shè)計(jì)探討

肖雷（安徽省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥 230022）

高層建筑物的選型優(yōu)化，很多現(xiàn)行的措施可以作為參考。這有助于提高建筑結(jié)構(gòu)性能，緩解城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中的問題。用鋼量的多少是衡量住宅結(jié)構(gòu)的重要因素，因此通過剪力墻結(jié)構(gòu)和框架-剪力墻結(jié)構(gòu)用鋼量對(duì)比分析可得出，在不影響安全以及其他設(shè)計(jì)參數(shù)的情況下，剪力墻結(jié)構(gòu)整體優(yōu)于框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。本文利用以往對(duì)于該方面工程理論和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上規(guī)劃設(shè)計(jì)在經(jīng)濟(jì)實(shí)用型和安全合理性兩方面都能得到保障的住宅。

高層住宅；結(jié)構(gòu)選型；優(yōu)化設(shè)計(jì)；抗震性能

高層建筑中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮很多因素。這其中包括經(jīng)濟(jì)成本、開發(fā)方的要求、材料的選取等。用鋼量材料成分比重可以體現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣。例如，在建筑整體可用性和安全性可以得到保障的情況下，在相應(yīng)控制條件下選擇含鋼量的多少。企業(yè)之間投標(biāo)競爭過程較為激烈，所以節(jié)省用鋼量是相當(dāng)重要的。應(yīng)該進(jìn)行用鋼量數(shù)據(jù)的提取、比較、整合、統(tǒng)計(jì)工作。這為后續(xù)工程進(jìn)展打下了良好的基礎(chǔ)。本文選用的實(shí)例是樓層總數(shù)的高度在百米之內(nèi)（25～33層）的情況，描述了主要構(gòu)件、類型、設(shè)計(jì)思路和重點(diǎn)、對(duì)比分析包括安全性和含量要素（含鋼量）等。

1　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)定義

高層設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，需要各因素之間協(xié)同配合，以保證安全穩(wěn)定，實(shí)用性好?，F(xiàn)依據(jù)建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工程理論和實(shí)踐應(yīng)用，總結(jié)出以下幾個(gè)原則：

1.1平面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

在平面設(shè)計(jì)這一項(xiàng)中，建筑物需要保證傳力以及受力的均衡性，即盡最大可能的要求設(shè)計(jì)遵循簡單這一特性，避免出現(xiàn)由于受力不均衡而引起的抗震性要素的損失。具體應(yīng)做到：①高層建筑的結(jié)構(gòu)平面采用簡單對(duì)稱、規(guī)則均勻的結(jié)構(gòu)平面。②要限制結(jié)構(gòu)的長寬比，其目的就是要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中控制長矩形平面的使用，避免過大的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。還應(yīng)注意的是，電梯這一功用性的設(shè)施不宜放在角落區(qū)，而在剪力墻筒體上進(jìn)行上述設(shè)備的布置就可以得到較好的效果。另外，應(yīng)避免采用角部交疊及細(xì)腰形平面，這種結(jié)構(gòu)平面鏈接較弱，各部分協(xié)同工作能力較差。

1.2豎直結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

結(jié)構(gòu)豎向設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是避免承載力及樓層剛度的突變，避免出現(xiàn)薄弱層。設(shè)計(jì)中，應(yīng)使結(jié)構(gòu)承載力和剛度自下而上逐步減小，均勻變化，不出現(xiàn)薄弱層。否則，在地震力作用下，薄弱部位將首先出現(xiàn)破壞，繼而影響整個(gè)建筑物的安全；建筑立面應(yīng)盡量采用矩形梯形等規(guī)則形狀，避免采用階梯型。階梯型建筑容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，而上部結(jié)構(gòu)剛度減小過快也會(huì)引起鞭稍效應(yīng)。例如，在剪力墻布置上，根據(jù)自下而上承載力及剛度變化的要求，可以逐漸減小剪力墻厚度，降低混凝土標(biāo)號(hào)，同時(shí)控制各層剪力墻軸壓比值，使他們具有合理的延展性。

1.3設(shè)計(jì)中控制參數(shù)

控制參數(shù)是設(shè)計(jì)中表現(xiàn)出來的重要的表征因素。所以探究一個(gè)合理有效量的范圍，對(duì)于整體的設(shè)計(jì)具有重要意義。這些量包括，各種比率（軸壓、剪重、剛度、），以及層間位移等。不同的參數(shù)會(huì)維持建筑的不同功能。具體的，每個(gè)樓層依據(jù)高低設(shè)置不同的軸壓比；每個(gè)建筑物結(jié)構(gòu)的水平位移是由每層的位移角來決定的，為了維持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，可以通過調(diào)整位移來實(shí)現(xiàn)；豎向結(jié)構(gòu)需要?jiǎng)偠缺葋砗饬恳杂行Х乐沽舜嗳醪环€(wěn)定的斷層出現(xiàn)。

1.4功能和效用上的特點(diǎn)

隨著城市化進(jìn)程的不斷加深，人們對(duì)于住房的需求更加的必要和多元，即在保持一定固定量需求的同時(shí)，滿足人們對(duì)住房個(gè)性化的需要。從經(jīng)濟(jì)節(jié)約的角度來說，住房要盡量保持大需求的供給狀態(tài)，最大程度上實(shí)現(xiàn)土地利用率的最大化，同時(shí)提升民眾對(duì)于住房個(gè)性化的需求，即保障個(gè)人住房的舒適度和安全性。。所以，現(xiàn)在住宅建筑有越蓋越高的趨勢，這就給建筑設(shè)計(jì)提出了更高要求，既要安全經(jīng)濟(jì)，又要舒適節(jié)能。

2　設(shè)計(jì)現(xiàn)狀以及存在問題

近幾年，中國地產(chǎn)行業(yè)一直處于蓬勃發(fā)展的態(tài)勢，房價(jià)節(jié)節(jié)攀升，高層住宅越來越多，框架、剪力墻結(jié)構(gòu)替代之前的磚混結(jié)構(gòu)成為了時(shí)下建筑行業(yè)的趨勢。相應(yīng)的挑戰(zhàn)衍生出計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到建筑行業(yè)中，這包括計(jì)算機(jī)方面的應(yīng)用。新的住宅結(jié)構(gòu)需要新的材料，鋼由于生產(chǎn)造價(jià)低廉超高強(qiáng)度抗震性好等諸多原因成為了設(shè)計(jì)師的最佳原則。但是如果只用這一種材料的話，又存在著劣勢，即成本的高昂和對(duì)火耐受性較差。如此鋼和以往混凝土結(jié)構(gòu)的結(jié)合就成為人們的首選。雖然這樣的結(jié)構(gòu)已經(jīng)將成本減少到最低，但是也需要克服一些關(guān)鍵部件截面尺度過大的問題。這需要對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)和規(guī)劃，以形成更好的形式。除此之外，實(shí)際設(shè)計(jì)中，必須要嚴(yán)格把控質(zhì)量關(guān)，在此基礎(chǔ)上，才能談及經(jīng)濟(jì)上的效用高低。為了保證兼顧安全性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)成本的最優(yōu)，需要對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)工程實(shí)踐中遇到的具體問題具體分析，不斷的進(jìn)行設(shè)計(jì)的優(yōu)化，而不能毫無根據(jù)的套用書本、以及之前工作者的結(jié)果。與此同時(shí)，還應(yīng)該加強(qiáng)方案檢驗(yàn)體系的構(gòu)建，以及相關(guān)人員的管理操作。

3　設(shè)計(jì)實(shí)例

3.1設(shè)計(jì)實(shí)例1

某小高層，主要情況介紹如下：10棟33層的主要住宅樓，總體高度為101.0m。

地下為兩層的車庫結(jié)構(gòu)，配置有存放雜物的儲(chǔ)物間，首層層高4.5m，為出售的商鋪。其余層數(shù)均在3.0m。用鋼量不能超過80～85kg區(qū)間，并要求主樓第一層的可以照射陽光的花房是半敞開的狀態(tài)，其余一般層的結(jié)構(gòu)平面如圖1所示。

3.1.1結(jié)構(gòu)體系及設(shè)計(jì)要點(diǎn)受首層建筑功能與用鋼量的制約，主樓落地剪力墻只能集中布置于結(jié)構(gòu)中部的樓、電梯井部位，其他部位只能設(shè)框架柱，形成圖1所示框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系。根據(jù)高規(guī)（混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程）中的設(shè)計(jì)原則［2］，為了保證支撐的墻面可以達(dá)標(biāo)，

框架的承受力不能超過整體的一半。增加墻的厚度成為解決問題的最優(yōu)。

3.1.2優(yōu)化措施

圖1　實(shí)例1一般標(biāo)準(zhǔn)層平面圖

（1）減輕荷載：外墻和內(nèi)墻分別采用不同的混凝土，樓宇內(nèi)的裝修也應(yīng)該得到控制，荷載保持在一定范圍內(nèi)，外墻采用195mm，內(nèi)墻采用95mm。

（2）減小柱截面：具體參數(shù)即大樓下面的部分的架構(gòu)是C55標(biāo)準(zhǔn)的混凝土，隨著樓層的增加，標(biāo)準(zhǔn)以一定的間隔依次降低。與此同時(shí)，軸壓比也需要進(jìn)行一定程度的限制。

（3）利用級(jí)別最新的鋼材，即Ⅲ級(jí)鋼：控制梁截面不大于210×650，梁縱筋（fy=360kNm）。該種強(qiáng)度的比之前級(jí)別的鋼材效果會(huì)提高1/5以上。

3.2設(shè)計(jì)實(shí)例2

某小高層，有5棟30層的建筑物，高是95.3m。地下部分是一層，包括地下室、儲(chǔ)物間功能；其中每層的鋼的用量均不超過63kg。通過大量的實(shí)地分析綜合考慮，整個(gè)大樓采用不同以往和框架融合的剪力墻結(jié)構(gòu)。但是由于地下部分的墻體受到了限制，這部分應(yīng)靈活的進(jìn)行布置。如圖2所示。

圖2　實(shí)例2地下一層平面圖

3.2.1結(jié)構(gòu)體系及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

設(shè)計(jì)中需要注意的是第一層應(yīng)部署抗震級(jí)別最強(qiáng)的三級(jí)鋼材，其厚度為200mm，與此同時(shí)還應(yīng)考慮由于地下室進(jìn)出車輛的問題，空間盡量要求開闊。

除此之外對(duì)于豎向不均勻現(xiàn)象的限制也是需要特別提出的一點(diǎn)，不能讓其復(fù)雜度增加［3］。

3.2.2優(yōu)化設(shè)計(jì)措施

對(duì)于剪力墻延展特性的優(yōu)化設(shè)置，和上面例子相同。另外，計(jì)劃使用鋼（±0.00以上的值）標(biāo)準(zhǔn)的為 45～51kg，而實(shí)際工程中用到的值為（±0.00以上的值）為49.05kg，預(yù)期在最終結(jié)果的范圍之內(nèi)，效果還是在可控范圍內(nèi)的。此外，該建筑物支持地下室進(jìn)出雙車道，實(shí)用性還是比較理想的。

3.3兩者比較

表1　實(shí)例1、2結(jié)構(gòu)震動(dòng)性質(zhì)指標(biāo)

表2　實(shí)例1、2結(jié)構(gòu)抗震性指標(biāo)

本文所闡述的上述兩個(gè)例子的具體性能比較如上圖所示：對(duì)于小高層大樓的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，運(yùn)用實(shí)例2的剪力墻，可以起到更好的配置，延性、鋼使用量的最優(yōu)化。

4　結(jié)論

經(jīng)過一系列的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

（1）在現(xiàn)今的社會(huì)環(huán)境下，用鋼量選擇是進(jìn)行結(jié)構(gòu)選擇的基礎(chǔ)，但首先應(yīng)該滿足建筑設(shè)計(jì)在功能性上的完備以及結(jié)構(gòu)上的安全標(biāo)準(zhǔn)，保證調(diào)控區(qū)間足夠大。

（2）通過實(shí)例可以看出，對(duì)于高層建筑物，剪力墻結(jié)構(gòu)和非剪力墻結(jié)構(gòu)的結(jié)合的性能表現(xiàn)的不是很明顯。收集的大量的數(shù)據(jù)顯示，剪力墻結(jié)構(gòu)在自然災(zāi)害中有著更為明顯的優(yōu)勢，同時(shí)其用鋼量也比與非剪力墻結(jié)構(gòu)的混合要低。實(shí)踐表明，剪力墻肢長度和厚度的比例在8∶1～10∶1最為適宜。

（3）很多建筑物存在著扭轉(zhuǎn)分布不均勻的問題，對(duì)于該情況應(yīng)該積極的改進(jìn)結(jié)構(gòu)的分布，使其不均的分布能夠得到改善，避免由此產(chǎn)生的不利影響，保證其基本功能的完整性。

［1］肖于斌.論高層住宅小區(qū)建筑設(shè)計(jì)［J］.科技展望，2014，09：107.

［2］張儷耀.淺談高層住宅建筑中的短肢剪力墻［J］.建筑與預(yù)算，2013，04：53～54.

［3］譚方蘭.高層住宅結(jié)構(gòu)選型和優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2010，04：58～62.

肖 雷（1971-），女，高級(jí)工程師，大專，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

TU318

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2095-2066（2016）09-0149-02

2016-3-8