鐘建敏

(蘇州九城都市建筑設(shè)計有限公司,蘇州 215123)

0 引 言

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化[1]是指在滿足各種規(guī)范或某些特定要求的條件下,使建筑結(jié)構(gòu)的某種指標(如剛度、重量、造價等)為最佳的設(shè)計方法。也就是要在所有可用方案和做法中,按某一目標選出最優(yōu)的方法。結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化是以深厚的理論基礎(chǔ)、良好的結(jié)構(gòu)概念、豐富的工程經(jīng)驗為前提;以對設(shè)計規(guī)范實質(zhì)內(nèi)涵的理解和靈活運用為指導(dǎo);以先進的結(jié)構(gòu)分析設(shè)計方法為手段對結(jié)構(gòu)設(shè)計進行深化、調(diào)整、改善和提高,也就是對結(jié)構(gòu)設(shè)計再加工的過程。

以某超限高層框架-核心筒結(jié)構(gòu)為例,以結(jié)構(gòu)剛度、重量、造價等為控制目標并滿足結(jié)構(gòu)規(guī)范和超限審查要求,對原結(jié)構(gòu)設(shè)計進行全方位優(yōu)化,采用PKPM軟件分別對原設(shè)計和優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)重量、剛度、抗震性能、造價等進行了分析與比較,結(jié)果表明,建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化對于提高設(shè)計質(zhì)量、節(jié)約建設(shè)成本、增大使用空間、縮短施工工期都有重要意義。

1 工程概況

該地塊由2棟高層(3#、4#樓)和裙房組成,地下4層,3#塔樓地上33層,結(jié)構(gòu)高度為151.2 m,4#塔樓地上27層,結(jié)構(gòu)高度為126.2 m,裙房4層,結(jié)構(gòu)高度21.7 m;底部4層(包括主樓)主要功能為商業(yè),四層以上均為辦公。由于地面以上裙房區(qū)域未設(shè)縫,使得3#、4#塔樓在地上形成大底盤多塔樓結(jié)構(gòu),建筑效果及剖面圖如圖1、圖2所示。

圖1 建筑效果圖Fig.1 Architectural renderings

3#、4#塔樓除高度不同,其他基本相同,僅以3#塔樓為例進行分析,3#塔樓采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系,結(jié)構(gòu)設(shè)計基準期為50年,結(jié)構(gòu)安全等級為二級,抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計基本地震加速度為0.1g,建筑場地類別為Ⅲ類,設(shè)計地震分組為第一組,場地設(shè)計特征周期為0.53 s,抗震設(shè)防類別:底部四層(含裙房)建筑抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防類,裙房以上為標準設(shè)防類,框架抗震等級為一級,底部四層筒體為特一級,四層以上筒體為一級。風(fēng)荷載按照規(guī)范與風(fēng)洞試驗較大值確定。工程地基基礎(chǔ)等級甲級,3#塔樓采用墻柱下樁筏基礎(chǔ),樁采用后注漿鉆孔灌注樁,直徑900 mm,以⑿2粉質(zhì)黏土層為持力層,單樁抗壓承力特征值為7 000 kN。

圖2 建筑剖面圖Fig.2 Architectural section

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計原則及主要內(nèi)容

2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計原則

根據(jù)原結(jié)構(gòu)設(shè)計單位提供的計算資料,對荷載取值、設(shè)計參數(shù)、設(shè)計標準及計算假定的合理性提供優(yōu)化意見,并對結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載、地震荷載及其它具體荷載下的響應(yīng)和穩(wěn)定性進行評估優(yōu)化。

根據(jù)原結(jié)構(gòu)設(shè)計單位提供的設(shè)計文件,評估結(jié)構(gòu)體系,包括樓板、梁、柱、墻的布置和有關(guān)結(jié)構(gòu)適用性、有效性及舒適度方面的設(shè)計與要求;并在滿足國家及地方相關(guān)規(guī)范法規(guī)和超限審查意見的前提下,進行了多方案的比選分析,提出經(jīng)濟合理并且最終有效的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案,其中包括柱、墻、梁、板、基礎(chǔ)的布置及尺寸截面優(yōu)化。

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計內(nèi)容

2.2.1計算參數(shù)優(yōu)化和荷載細化

考慮到辦公建筑內(nèi)部隔墻為輕質(zhì)隔墻,對自振周期折減系數(shù)、連梁剛度折減系數(shù)進行調(diào)整;柱剪跨比計算原則由簡化方式改為通用方式;框架梁端配筋考慮受壓鋼筋;梁柱重疊部分簡化為剛域。并對墻體線荷載、輕質(zhì)隔墻荷載、地下室部分降板、避難層中設(shè)備用房的恒載和活載進行細化。

2.2.2框架柱優(yōu)化

原設(shè)計框架柱從負二層至十八層都設(shè)有型鋼混凝土柱,型鋼柱的型鋼含鋼率3.21%～10.2%?？紤]到本樓底下幾層建筑功能為商業(yè),對框架柱大小不是特別敏感,故把型鋼混凝土柱優(yōu)化為鋼筋混凝土柱,此優(yōu)化后,底下幾層框架柱截面有所增加,柱配筋也相應(yīng)會增大,但柱型鋼量可以減少,按《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011—2010)[2](簡稱抗規(guī))第6.3.6條規(guī)定框架-核心筒一級時框架柱軸壓比限值0.75,并根據(jù)柱3沿柱全高采用井字復(fù)合箍且箍筋肢距不大于200 mm、間距不大于100 mm,直徑不小于12 mm,軸壓比限值可增加0.10,框架柱軸壓比可提升至0.85,考慮到局部柱剪跨比不大于2,軸壓比限值應(yīng)降低0.05,框架柱軸壓比限值按 0.80 考慮。豎向構(gòu)件截面優(yōu)化原則,對平面和豎向進行整體優(yōu)化,使側(cè)向剛度沿豎向均勻變化,整體變形曲線光滑,避免形成軟弱層和薄弱層,調(diào)整豎向構(gòu)件截面和混凝土強度變化標高,避免構(gòu)件截面變化和混凝土強度變化在同一標高,在確保剛度前提下,使豎向構(gòu)件的配筋率在一個比較經(jīng)濟的范圍內(nèi)。標準層平面墻柱編號如圖3所示,優(yōu)化前后各樓層主要框架柱對比見表1、表2。

表1 優(yōu)化前后框架柱典型截面對比Table 1 Comparison of typical section of frame column before and after optimization

表2 優(yōu)化前后框架柱典型截面對比Table 2 Comparison of typical section of frame column before and after optimization

2.2.3核心筒剪力墻優(yōu)化

原設(shè)計剪力墻厚度偏大,剪力墻豎向厚度變化較小,考慮到框架核心筒結(jié)構(gòu),在水平力作用下,上部樓層剪力墻的側(cè)向位移越來越大,而框架變形反而減小,這是由于框架與剪力墻協(xié)同工作,此時剪力墻對結(jié)構(gòu)整體剛度的影響是負面的[3]。適當減少上部墻厚,可以減輕核心筒自重,同時使結(jié)構(gòu)受力更為合理。另外核心筒的內(nèi)墻對抗側(cè)剛度貢獻較小,主要承受豎向荷載,而它所支承的面積很小,可以減薄。優(yōu)化前后主要墻厚對比見表3、表4。

表3 優(yōu)化前后剪力墻典型截面對比Table 3 Comparison of typical section of shear wall before and after optimization

表4優(yōu)化前后剪力墻典型截面對比Table 4Comparison of typical section of shear wall before and after optimization

2.2.4梁優(yōu)化

在3根內(nèi)框架柱與核心筒之間增加1 200 mm×600 mm寬扁梁,此方法大大增加Y向側(cè)向剛度,也減少此部位板厚。梁截面優(yōu)化原則,在確保剛度前提下,優(yōu)先優(yōu)化截面寬度,使梁截面配筋率在0.6%～1.5%之間。由于建筑要求外框梁控制在800高,故原設(shè)計標準層平面中外框梁低中區(qū)由500 mm×900 mm改為500 mm×800 mm,高區(qū)由500 mm×900 mm改為450 mm×800 mm,塔樓辦公區(qū)域框架主梁由500 mm×700 mm改為400 mm×700 mm,塔樓辦公區(qū)域樓面次梁由400 mm×700 mm改為300 mm×700 mm,取消核心筒外圍一圈300 mm×600 mm、250 mm×500 mm次梁,由于墻厚優(yōu)化,連梁寬度也相應(yīng)減少,調(diào)整連梁高度,盡量使連梁跨高比控制在5左右,以降低連梁配筋率。優(yōu)化前后標準層梁平面布置對比圖詳見圖4、圖5。

2.2.5樓板優(yōu)化

原設(shè)計標準層核心筒內(nèi)板厚150 mm優(yōu)化為130 mm,核心筒外四角部板厚由140 mm優(yōu)化為>110 mm,核心筒與中間內(nèi)柱間板厚由250 mm優(yōu)化為130 mm,其余典型板厚由120 mm優(yōu)化為110 mm,樓板厚度的優(yōu)化,在減少樓板的混凝土用量和自重的同時,也減少板的構(gòu)造配筋用量。優(yōu)化前后標準層樓板平面布置對比圖詳見圖4、圖5。

圖4 原設(shè)計標準層梁板平面布置圖(單位:mm)Fig.4 Original design standard layer beam plate layout (Unit:mm)

圖5 優(yōu)化后標準層梁板平面布置圖(單位:mm)Fig.5 Plane layout of standard floor beam after optimization (Unit:mm)

2.2.6屋頂鋼結(jié)構(gòu)支架

原設(shè)計文件中,屋頂支撐擦窗機的軌道梁采用鋼結(jié)構(gòu)梁方案,考慮到鋼結(jié)構(gòu)方案后期維護成本較高,優(yōu)化后采用混凝土方案,原H700×250×14×20的鋼梁優(yōu)化為400×800混凝土梁,原H400×220×8×12的鋼梁優(yōu)化為250×600混凝土梁,雖然增加了部分混凝土用量和自重,但型鋼總量也得以大幅下降,總造價成本也得到相應(yīng)的減少。

2.2.7筏板基礎(chǔ)優(yōu)化

通過荷載優(yōu)化和柱、墻、梁、板截面優(yōu)化,大大減少了基礎(chǔ)荷載,并對筏板計算參數(shù)進行優(yōu)化,考慮到筏板配筋與沉降計算結(jié)果影響較大,根據(jù)試樁沉降結(jié)果反算群樁沉降放大系數(shù)為6;考慮沉降后澆帶的作用,恒載加載比例為0.6;對筏板基礎(chǔ)計算時考慮上部剛度的影響;筏板上、下保護層厚度取為20 mm和50 mm。由于優(yōu)化時,樁基礎(chǔ)已施工完,考慮樁頂標高問題,故未對樁基礎(chǔ)和筏板厚度進行優(yōu)化,僅對筏板砼強度進行優(yōu)化,由原設(shè)計C40改為C35,筏板沖切和剪切均滿足規(guī)范要求,并對筏板配筋進行優(yōu)化?；A(chǔ)筏板配筋示意范圍圖如圖6所示,優(yōu)化前后基礎(chǔ)筏板配筋率對比見表5。

2.2.8樁基優(yōu)化

通過上述優(yōu)化后結(jié)構(gòu)自重減少,相應(yīng)樁數(shù)也可以減少;由于本工程三層地下室,開挖深度達15 m,樁基抗壓工況設(shè)計時可考慮采用最低水位下1米計算水浮力,可減少抗壓工況下樁數(shù);根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94—2008)[4](簡稱樁基規(guī)范)第5.2.4條,按變剛度調(diào)平原則設(shè)計樁基剛度,保留原設(shè)計核心筒樁基剛度,弱化外圍框架柱樁基剛度,外圍框架柱樁基布置時考慮筏板效應(yīng)確定其復(fù)合基樁的豎向承載力特征值,既可以減少樁基數(shù)量,又可減少外圍框架柱與核心筒之間的沉降差。以上優(yōu)化措施可減少原設(shè)計樁數(shù)20%以上,由于優(yōu)化時,樁基已施工完成,故上述優(yōu)化未實施。

圖6 基礎(chǔ)筏板配筋示意范圍圖Fig.6 Schematic diagram of reinforcement of foundation raft

表5 優(yōu)化前后基礎(chǔ)筏板配筋率對比Table 5 Reinforcement ratio of foundation raft before and after optimization

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)整體性能對比分析

3.1 優(yōu)化前后計算結(jié)果對比

經(jīng)上述優(yōu)化內(nèi)容優(yōu)化后,結(jié)構(gòu)4層以上自重與優(yōu)化前相比減少約16%,4層以上的基底剪力與優(yōu)化前相比減少約20%,優(yōu)化前后計算結(jié)果見表6,由于自重減輕,基底剪力減少,同一樓層相同位置,優(yōu)化后結(jié)構(gòu)柱、墻、梁的配筋相應(yīng)減小,優(yōu)化前后局部混凝土構(gòu)件配筋對比見圖7。

表6 3#樓優(yōu)化前后單塔計算結(jié)果對比Table 6 Comparison of single tower calculation results before and after optimization of 3# building

圖7 優(yōu)化前后局部混凝土構(gòu)件配筋對比圖Fig.7 Comparison of reinforcement for reinforced concrete members before and after optimization

3.2 優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)整體性能對比分析

3.2.1結(jié)構(gòu)剛度對比

優(yōu)化后結(jié)構(gòu)第一自振周期比原設(shè)計大0.062 s,第二自振周期優(yōu)化后為4.226 s,與優(yōu)化后的第一自振周期比較接近,與原設(shè)計相比,優(yōu)化后結(jié)構(gòu)在X,Y的側(cè)向剛度基本接近,更加符合規(guī)范兩個方向的側(cè)向剛度不宜相差過大的要求。由于優(yōu)化后結(jié)構(gòu)自重減小,地震作用的基底剪力也相應(yīng)減少,故在地震作用下的Y向最大位移角優(yōu)化前后分別為1/898和1/889,最大位移角基本相同,說明優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)的整體剛度變化不大。

3.2.2結(jié)構(gòu)層剛度和位移比對比

優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)的最小剛度均為1,都不存在軟弱層,優(yōu)化后的樓層層間剛度更為接近;優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)X,Y方向的最小樓層抗剪承載力比分別為0.92,0.94和0.93,0.95,都不存在薄弱層,優(yōu)化后的最小樓層抗剪承載力比更大;優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)X,Y方向的最大位移比分別為1.30,1.43和1.24,1.26,說明優(yōu)化后限制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)更好;從結(jié)構(gòu)層剛度和位移對比結(jié)果可以說明優(yōu)化后結(jié)構(gòu)層剛度和位移比均優(yōu)于優(yōu)化前,豎向剛度變化更趨合理,結(jié)構(gòu)的整體抗震性能優(yōu)化于優(yōu)化前。

3.2.3其他結(jié)構(gòu)指標對比

優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性驗算滿足要求,均不會負應(yīng)力區(qū);優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)底層框架承擔傾覆彎距比例為30%～40%,承擔剪力為15%～22%,以上樓層逐層增加,除屋頂幾層外,基本都未超過50%;優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)柱局部柱的軸壓比大于優(yōu)化前,對于較大軸壓比的柱和底部加強區(qū)的框架柱采用了沿柱全高采用井字復(fù)合箍且箍筋肢距不大于200 mm、間距不大于100 mm、直徑不小于12 mm的措施,保證了框架柱的延性,剪力墻由于自重的減少,優(yōu)化后剪力墻的軸壓比小于優(yōu)化前,延性更好。

施工圖設(shè)計時優(yōu)化前后均采用單塔和雙塔整體模型包絡(luò)設(shè)計。超限審查提出的性能設(shè)計目標:底部加強部位剪力墻受剪承載力按中震彈性設(shè)計,正截面承載力按中震不屈服設(shè)計,過渡層剪力墻受剪承載力滿足中震不屈服，優(yōu)化前后也均滿足要求。

3.3 風(fēng)荷載作用下舒適度對比

根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[5]第3.7.6條規(guī)定,高度超過150 m的高層建筑應(yīng)具有良好的使用條件,滿足舒適度要求。按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[6]規(guī)定的10年一遇的風(fēng)荷載取值計算優(yōu)化前后的順風(fēng)向和橫風(fēng)向結(jié)構(gòu)頂點最大加速度如表7所示。由表7可知,在風(fēng)荷載作用下,3#樓優(yōu)化前后的順風(fēng)向和橫風(fēng)向頂點加速度值基本相同,風(fēng)荷載作用下的舒適度相當,均遠小于規(guī)范限值0.25 m/s2的要求。

表7 結(jié)構(gòu)頂點峰值加速度(10年重現(xiàn)期)Table 7 Peak acceleration (10 year return period)

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計成果及效益

根據(jù)造價顧問單位提供的測算資料,和原施工圖設(shè)計相比,節(jié)約混凝土量約5 694 m3,型鋼減少1 333.5 t,鋼筋用量減少1 208 t,具體見測算表8;結(jié)構(gòu)優(yōu)化后可增加樓層使用面積約667 m2,具體詳見表9、表10;由于取消了原塔樓柱內(nèi)的型鋼和屋頂鋼結(jié)構(gòu),采用全部現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),省去型鋼加工、制作、安裝的環(huán)節(jié),增加了施工便利性,大大節(jié)省了施工周期。由于結(jié)構(gòu)優(yōu)化時樁基已施工完成,筏板厚度和樁基數(shù)量均未優(yōu)化,若考慮自重減少,筏板厚度和樁數(shù)的減少,基坑開挖深度相應(yīng)減少,產(chǎn)生的經(jīng)濟效益更加可觀。

5 結(jié) 論

結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化絕不是用降低安全度來換取經(jīng)濟效益,也不是簡單的節(jié)約用鋼量和混凝土量,而是通過系統(tǒng)的、整體的優(yōu)化,并根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點合理調(diào)整構(gòu)件尺寸,結(jié)構(gòu)自重減輕,地震作用降低,剛度分配更趨合理,結(jié)構(gòu)延性增加,結(jié)構(gòu)安全度相應(yīng)提高,同時也取得了增大室內(nèi)使用空間、縮短施工工期和節(jié)約建設(shè)成本2 294.68萬元的效益,也可為類似工程設(shè)計提供參考。

表8 優(yōu)化成果測算表Table 8 Table of optimization results

表9 框架柱優(yōu)化增加的樓層使用面積Table 9 Frame column optimization to increase useable floor area m2

表10 核心筒剪力墻優(yōu)化增加的樓層使用面積Table 10 Core wall to increase usable floor area m2

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