李 坤

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

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，以節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境為核心的綠色建筑設(shè)計(jì)越來越受到人們的重視。而建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化對(duì)于節(jié)約建筑材料、改進(jìn)結(jié)構(gòu)性能具有重要的意義，是綠色建筑設(shè)計(jì)的重要組成部分。一般來說，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化分為三個(gè)層面，第一個(gè)層面是結(jié)構(gòu)構(gòu)件層面的優(yōu)化，一般用混凝土用量和含鋼量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。第二個(gè)層面是結(jié)構(gòu)方案及地基基礎(chǔ)的優(yōu)化，這個(gè)層面的優(yōu)化不僅涉及到工程造價(jià)的降低，還涉及到結(jié)構(gòu)性能的改進(jìn)、施工的便利等方面。第三個(gè)層面是建筑方案的優(yōu)化[1]。筆者通過對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的理論及實(shí)踐的認(rèn)識(shí)，并結(jié)合工程實(shí)例，探討一下高層住宅結(jié)構(gòu)方案、地基基礎(chǔ)及結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)優(yōu)化的要點(diǎn)。

1 結(jié)構(gòu)方案及地基基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)優(yōu)化

1.1 結(jié)構(gòu)方案及結(jié)構(gòu)布置優(yōu)化

高層建筑結(jié)構(gòu)平面布置宜簡單、規(guī)則、均勻、對(duì)稱[2]。高層住宅應(yīng)優(yōu)先采用純剪力墻結(jié)構(gòu)，盡量避免采用部分框支剪力墻和短肢剪力墻。剪力墻的墻肢形狀應(yīng)簡單，以減少邊緣構(gòu)件的數(shù)量；截面形狀首選L形。評(píng)價(jià)剪力墻布置經(jīng)濟(jì)合理性主要有以下三個(gè)指標(biāo)：墻地比、結(jié)構(gòu)層間位移角和剪重比。墻地比=標(biāo)準(zhǔn)層豎向構(gòu)件截面面積/標(biāo)準(zhǔn)層建筑面積。如合肥地區(qū)60 m～80 m高層住宅墻地比參考值為5.5%。結(jié)構(gòu)層間位移角宜控制在1/1 300～1/1 000之間。剪重比是結(jié)構(gòu)計(jì)算比較重要的指標(biāo)。當(dāng)結(jié)構(gòu)的整體剛度選擇比較合理時(shí)，僅僅底部幾層(一般不大于地上總樓層數(shù)的15%)的地震剪力系數(shù)不滿足要求，可以采用計(jì)算軟件中全樓地震力放大系數(shù)來調(diào)整地震剪力。如果有15%以上樓層的剪力系數(shù)不滿足最小剪力系數(shù)要求，或底部樓層剪力系數(shù)小于最小剪力系數(shù)的85%時(shí)，說明結(jié)構(gòu)整體剛度偏弱或結(jié)構(gòu)太重，此時(shí)應(yīng)調(diào)整結(jié)構(gòu)布置，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度或減小結(jié)構(gòu)重量。

1.2 地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)優(yōu)化

從造價(jià)角度考慮，在確保承載力滿足計(jì)算要求的前提下，應(yīng)優(yōu)先選用天然地基，當(dāng)天然地基不能滿足要求時(shí)，可以依次采用CFG樁復(fù)合地基、預(yù)應(yīng)力混凝土管樁、鋼筋混凝土鉆孔灌注樁。一般情況下，CFG樁復(fù)合地基造價(jià)是預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的40%～80%，鋼筋混凝土鉆孔灌注樁造價(jià)是預(yù)應(yīng)力混凝土管樁的1.1倍～1.3倍。高層住宅一般采用平板式筏板基礎(chǔ)，不宜采用肋梁式筏基。

2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)優(yōu)化

高層住宅優(yōu)先采用高強(qiáng)度的鋼筋，承重豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)先采用高強(qiáng)度的混凝土，梁板結(jié)構(gòu)在計(jì)算滿足要求的前提下盡量采用C35以下的混凝土。

2.1 剪力墻墻身及邊緣構(gòu)件設(shè)計(jì)優(yōu)化

對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)來說，剪力墻的用鋼量約占總用鋼量的40%～50%，邊緣構(gòu)件用鋼量又約占剪力墻用鋼量的50%[1]。剪力墻一般按照GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(2016年版)[3](簡稱《抗規(guī)》)和JGJ 3—2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[2](簡稱《高規(guī)》)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

剪力墻邊緣構(gòu)件一般按以下原則進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化：1)縱筋可以采用兩種直徑鋼筋搭配配筋。邊緣構(gòu)件豎向鋼筋大于《高規(guī)》7.2.15條、7.2.16條后，其余豎向鋼筋可以采用小直徑鋼筋搭配配筋。2)剪力墻約束邊緣構(gòu)件可按照《高規(guī)》7.2.15-1條考慮水平分布筋計(jì)入體積配箍率。3)邊緣構(gòu)件箍筋可以采用兩種直徑，即外箍采用大直徑，內(nèi)箍采用小直徑。

2.2 梁板設(shè)計(jì)優(yōu)化

高層剪力墻結(jié)構(gòu)住宅中，梁、板鋼筋用量分別占標(biāo)準(zhǔn)層鋼筋用量的35%～45%,12%～16%。高層住宅中，在合理的板跨內(nèi)，應(yīng)盡量少設(shè)置次梁，梁寬盡量與隔墻一致。對(duì)于住宅內(nèi)厚度不大于120 mm的輕質(zhì)隔墻，墻下可以不設(shè)置梁，采用板底加強(qiáng)筋進(jìn)行加強(qiáng)。

由于住宅內(nèi)的大部分板跨不是很大，大部分板底筋是由最小配筋率控制的(HRB400級(jí)鋼筋的板最小配筋率，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35時(shí)為0.20%,C30時(shí)為0.18%,C25時(shí)為0.16%)，所以樓面梁板應(yīng)采用高強(qiáng)鋼筋和低強(qiáng)度混凝土，一般采用HRB400級(jí)鋼筋，C25,C30強(qiáng)度等級(jí)混凝土。采用低強(qiáng)度混凝土不僅可以降低混凝土的造價(jià)，還可以減小板的最小配筋率，進(jìn)而降低板鋼筋的造價(jià)。此外，梁板采用低強(qiáng)度混凝土，還可以降低梁板混凝土的水化熱，減少混凝土收縮裂縫的產(chǎn)生，改善結(jié)構(gòu)的性能。在滿足規(guī)范要求及方便施工的前提下，住宅樓板配筋宜細(xì)而密。

3 工程實(shí)例

合肥市某高層住宅，24層剪力墻結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g，抗震等級(jí)為三級(jí)。筆者所在單位受業(yè)主委托，對(duì)該工程提供設(shè)計(jì)優(yōu)化咨詢。由于基礎(chǔ)持力層的天然地基承載力為280 kPa，不能滿足該工程需要，原設(shè)計(jì)采用了預(yù)應(yīng)力混凝土管樁(樁型為PHC-500-AB-125),經(jīng)濟(jì)性較差。現(xiàn)將該工程地基處理方案改為CFG樁復(fù)合地基，CFG樁徑400 mm，樁長14 m，樁距1.6 m矩形布樁。CFG樁復(fù)合地基承載力計(jì)算過程如下：

由JGJ 79—2012建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[4]式7.1.5-2。

其中,fspk為復(fù)合地基承載力特征值，kPa；λ為單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，λ=0.70；m為面積置換率,本工程m=4.89；Ra為單樁豎向承載力特征值,Ra=820.00 kN;Ap為樁的截面面積，m2;β為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù),β=0.90;fsk為處理后樁間土承載力特征值,取天然地基承載力特征值,fsk=280.00 kPa。

計(jì)算得到：

處理后的復(fù)合地基承載力特征值約460 kPa，可以滿足要求。經(jīng)過估算，原設(shè)計(jì)地基處理費(fèi)用約73萬元，優(yōu)化后的地基處理費(fèi)用約45萬元，較原設(shè)計(jì)節(jié)省了近40%。

4 結(jié)語

高層住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，不僅節(jié)省了材料，提高了經(jīng)濟(jì)效益，而且改善了結(jié)構(gòu)的性能，是綠色建筑設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面，值得今后進(jìn)一步深入探討。