李政 何艷

（杭州市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310008）

一、房屋建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性及原則

中國目前的建筑行業(yè)正處于快速發(fā)展的階段，同時人們的生活水平正在不斷提高，對建筑的質(zhì)量和安全也有了更高的要求。從房屋使用者的角度考慮，他們要求房屋建筑能夠兼具美感和實(shí)用性，能夠給人帶來精神上的享受，同時又要求房屋在自然災(zāi)害如地震、臺風(fēng)作用下能有足夠安全性，從房屋開發(fā)者的角度考慮，因?yàn)橥恋貎r格的飛漲和資金成本的壓力，他們希望房屋的建設(shè)能使用更少的建筑材料，同時能減短房屋的建造周期，以此來降低房屋開發(fā)的建設(shè)成本。房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)對于實(shí)現(xiàn)建筑功能及節(jié)約建筑成本有著十分重要的作用。房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠更加合理布置房屋結(jié)構(gòu)為建筑功能的實(shí)現(xiàn)提供更多的可能性，房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠更充分利用建筑材料從而減少各種不必要的材料浪費(fèi)確保房屋建筑的經(jīng)濟(jì)性，房屋建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)能全面的考慮整個施工過程，在設(shè)計(jì)中全面的考慮施工的便利性及可行性為縮短建筑工期提供先決條件。房屋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)因結(jié)合各個項(xiàng)目的實(shí)際情況，采用現(xiàn)代的設(shè)計(jì)理念及先進(jìn)的施工技術(shù)，對整個房屋進(jìn)行全面的、科學(xué)的、合理化的設(shè)計(jì)規(guī)劃。在保證結(jié)構(gòu)安全的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)人們多房屋使用便利，建筑外觀優(yōu)美，經(jīng)濟(jì)性高的要求。

二、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

俗話說，九層之臺，起于壘土，建筑的基礎(chǔ)對房屋的穩(wěn)定起到了至關(guān)重要的作用，建筑的基礎(chǔ)不但關(guān)系到房屋建筑整體的安全性、耐久性和舒適性，同時對房屋工程的造價也有著巨大的影響。根據(jù)過往的工程經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)工程造價約占建筑工程總造價的10%至30%。因此對建筑基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)高度重視，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該在滿足承載力要求的前提下，進(jìn)行多方案的比較分析以獲得較好的工程經(jīng)濟(jì)性。

（一）場地的地質(zhì)勘察

萬丈高樓平地起，施工場地的地質(zhì)情況直接影響到建筑基礎(chǔ)的選型和工程造價，因此在對建筑基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)前，必須對施工場地進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)勘察，獲得精準(zhǔn)的地質(zhì)勘察報告，《巖土工程勘察規(guī)范》GB 50021-2001 中第4.1.1 條對房屋建筑和構(gòu)筑物的巖土工程勘察主要工作內(nèi)容做出了下列規(guī)定：

1.查明場地和地基的穩(wěn)定性、地層結(jié)構(gòu)、持力層和下臥層的工程特性、土的應(yīng)力歷史和地下水條件以及不良地質(zhì)作用等；

2.提供滿足設(shè)計(jì)、施工所需的巖土參數(shù)，確定地基承載力，預(yù)測地基變形性狀；

3.提出地基基礎(chǔ)、基坑支護(hù)、工程降水和地基處理設(shè)計(jì)與施工方案的建議；

4.提出對建筑物有影響的不良地質(zhì)作用的防治方案建議；

5.對于抗震設(shè)防烈度等于或大于6 度的場地，進(jìn)行場地與地基的地震效應(yīng)評價；

與此同時，地質(zhì)勘察應(yīng)在搜集建筑物上部荷載、功能特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)類型、埋置深度和變形限制等方面資料的基礎(chǔ)上合理確定鉆探孔的布置范圍及鉆探孔孔深以便取得較好的工程經(jīng)濟(jì)性。

（二）基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式選擇

現(xiàn)階段建筑中常用的基礎(chǔ)形式一般分為兩大類，即筏板基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)，根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)，在土層具有足夠承載力的情況下，采用筏板基礎(chǔ)往往較采用樁基礎(chǔ)具有較好的經(jīng)濟(jì)性，因此在基礎(chǔ)方案的選擇中應(yīng)優(yōu)先考慮天然地基、其次考慮復(fù)合地基、最后考慮樁基礎(chǔ)。筏板基礎(chǔ)又分為梁板式基礎(chǔ)和平板基礎(chǔ)。

梁板式筏板基礎(chǔ)因柱間梁的布置，筏板的板跨減小，其筏板板厚較平板基礎(chǔ)小，故混凝土用量較少。但梁板式筏板基礎(chǔ)因?yàn)樾柙谥g拉設(shè)基礎(chǔ)梁，故需要柱網(wǎng)布置比較規(guī)整，這樣就影響了柱布置的靈活性，同時梁板式筏板基礎(chǔ)因?yàn)槠鋭偠茸兓痪鶆?，地基反力呈現(xiàn)明顯的“跳躍”式分布，在中筒或荷載較大的柱底下受力以及配筋突變。因?yàn)榛A(chǔ)梁的存在，施工中需要同時布置板鋼筋及梁鋼筋，施工難度較大，故梁板式筏板基礎(chǔ)的應(yīng)用范圍相對受限且綜合造價較高。

板式筏板基礎(chǔ)取消了基礎(chǔ)梁的布置，柱網(wǎng)的布置比較靈活，施工僅需布置板鋼筋，施工方便有利于縮短施工周期，綜合經(jīng)濟(jì)性較高。因?yàn)槿∠嘶A(chǔ)梁的布置，筏板受力較大且存在沖切破壞的可能，可采用以下措施解決：1.在柱底增設(shè)下柱墩；2.在彎矩較大處局部增加筏板厚度；3.增設(shè)彎起鋼筋和箍筋提高筏板抗沖切能力。綜合考慮在地基條件允許的情況下因優(yōu)先考慮板式筏板基礎(chǔ)。

當(dāng)淺層地基承載力無法滿足上部建筑設(shè)計(jì)要求時，就需要考慮采用樁基礎(chǔ)。樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)主要需要考慮兩個方面的因素，一是確定單樁的承載力特征值，二是控住建筑的沉降量和不均勻沉降。在樁型和成樁工藝的選擇階段，應(yīng)根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)類型、荷載性質(zhì)、樁的使用功能、穿越土層、樁端持力層、地下水位、施工設(shè)備、施工環(huán)境、施工經(jīng)驗(yàn)、制樁材料供應(yīng)等條件選擇。選擇時可參考《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》JGJ 94-2008 附錄A。

單樁的承載力和土質(zhì)狀況、樁徑和樁長有著密切的關(guān)系，對于非勻質(zhì)土層在確定樁長和樁徑時，可按單樁承載力除以單樁體積來比較不同樁長與樁徑下樁的經(jīng)濟(jì)性，以小直徑灌注樁為例其計(jì)算公式如下：

式中：Qvc 為樁體單位體積提供的承載力，qs 為樁側(cè)土極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值按土層厚度的加權(quán)平均值，qpk 為極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，d 為樁體直徑，L 為樁身入土長度。

采用上式可對不同直徑和入土深度的樁進(jìn)行初步的比較，當(dāng)Qvc 值較大時，樁單位體積提供的承載力較大，經(jīng)濟(jì)性較高，但需要注意的是，該公式只適用于非勻質(zhì)的地基土中，當(dāng)樁身穿越的土層為勻質(zhì)土?xí)r，qs 和qpk 為定值，此時截面尺寸越小，樁長越短Qvc 值越大，其值不具有比較樁型經(jīng)濟(jì)性的意義。

建筑的沉降量和不均勻沉降的控制和樁的平面布置密切相關(guān)，在樁布置時，宜盡量在墻柱下布樁，如需在筏板下布樁時，則宜盡量不在跨中布置。這樣的布樁方式有利于減小筏板的局部彎矩。對于沉降的控制，應(yīng)采用剛度調(diào)平設(shè)計(jì)，對于主裙樓連體建筑，裙房（含純地下室）的樁基布置剛度宜相對弱化，采用疏樁或短樁基礎(chǔ)。對于框架-核心筒結(jié)構(gòu)，應(yīng)強(qiáng)化核心筒區(qū)域樁基剛度，相對弱化核心筒外圍樁基剛度。

在樁基設(shè)計(jì)時，考慮樁和承臺經(jīng)濟(jì)性的同時，還需考慮成樁費(fèi)用，成樁風(fēng)險成本，試樁檢測費(fèi)用等其他一些措施費(fèi)用，在初步設(shè)計(jì)階段可以在預(yù)估上部荷載的基礎(chǔ)上綜合比較各方案的經(jīng)濟(jì)性，在樁數(shù)的確定時應(yīng)考慮建筑底部彎矩及剪力的偏心作用，在建筑總荷載除以單樁承載力確定樁數(shù)的基礎(chǔ)上乘以一定的放大系數(shù)，該系數(shù)應(yīng)根據(jù)承臺的形式做相應(yīng)的調(diào)整，如筏形基礎(chǔ)其整體慣性矩較獨(dú)立基礎(chǔ)大，其放大系數(shù)應(yīng)小于采用獨(dú)立基礎(chǔ)的基礎(chǔ)形式，同時獨(dú)立基礎(chǔ)應(yīng)承臺下樁數(shù)較少，還需考慮樁數(shù)取整的調(diào)整，當(dāng)單樁承載力越時，其取整的放大系數(shù)亦應(yīng)相應(yīng)取大值。

三、地下室結(jié)構(gòu)優(yōu)化

隨著城市的發(fā)展和國家經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國機(jī)動車的保有量飛速增長。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2021 年3 月，全國機(jī)動車保有量達(dá)3.78 億輛。為解決城市建設(shè)用地緊張及停車難的矛盾，建筑的地下室變得越來越大，越建越深以此來滿足建筑使用過程中，停車難的問題。建筑的地下室也因此在結(jié)構(gòu)的總成本中占據(jù)了較大的比重。做好地下室的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對于控住結(jié)構(gòu)的總成本起到了至關(guān)重要的作用。地下室優(yōu)化的具體操作中，可以從地下室外墻和地下室頂板兩個方面入手。

（一）地下室外墻設(shè)計(jì)

地下室外墻的設(shè)計(jì)中，由于外墻上的豎向荷載作用所產(chǎn)生的內(nèi)力對結(jié)構(gòu)的安全有利且不起控制作用，在地下室的外墻設(shè)計(jì)時往往忽略該部分荷載，將地下室外墻按純受彎構(gòu)件計(jì)算，筆者認(rèn)為在地下室外墻按上下結(jié)構(gòu)板支撐的單項(xiàng)板計(jì)算時，當(dāng)?shù)叵率彝鈮τ闪芽p控制時可適當(dāng)考慮豎向荷載的作用來減小計(jì)算的墻體裂縫滿足裂縫限制要求。地下室外墻通常按板的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，常規(guī)設(shè)計(jì)時常采用底部與基礎(chǔ)固接，頂部與樓板鉸接的單向板計(jì)算模型。此方法適用于大部分大開間的地下室結(jié)構(gòu)中，然而在一些小開間的地下室結(jié)構(gòu)中，垂直于地下室外墻的結(jié)構(gòu)墻對地下室外墻具有較好的約束性，在對此類地下室外墻進(jìn)行設(shè)計(jì)時，可參考《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2010（2015 版）第9.1.1 條規(guī)定，當(dāng)擋土墻的長邊與短邊之比小于3 時，擋土墻可按四邊支承的雙向板進(jìn)行計(jì)算，兩側(cè)垂直于地下室外墻的結(jié)構(gòu)墻按簡支考慮，當(dāng)擋土墻按四邊支承進(jìn)行計(jì)算時其墻體的配筋值顯著的小于兩邊支承的情況且該計(jì)算模型更符合擋土墻實(shí)際的受力情況。在側(cè)向土壓力計(jì)算時，不同的土質(zhì)及不同的施工條件下，土的靜壓力系數(shù)K0 應(yīng)采用不同的數(shù)值。對于砂土可取0.35～0.45，粘性土可取0.5～0.7；當(dāng)?shù)叵率沂┕げ捎么箝_挖方式，無護(hù)坡樁或連續(xù)墻支護(hù)時，靜止土壓力系數(shù)一般取0.5；當(dāng)?shù)叵率沂┕げ捎米o(hù)坡樁時，地下室外墻土壓力計(jì)算中可以考慮基坑支護(hù)與地下室外墻的共同作用，可按靜止土壓力乘以0.66 的折減系數(shù)進(jìn)行近似計(jì)算。

（二）地下室頂板設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)的地下室頂板設(shè)計(jì)時，為了減小板跨，常采用設(shè)置次梁的方法。在次梁的布置時，柱橫縱向間距，荷載大小都對次梁的布置形式有一定的影響。當(dāng)柱的橫縱向間距差距較大時，選擇短跨單向布置次梁具有較好的經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)柱的橫縱向間距差距不大時，選擇十字梁或井字梁會比較經(jīng)濟(jì)。設(shè)置次梁是為了減小板跨，使板厚減小。但由于有結(jié)構(gòu)防水的要求，板的厚度不應(yīng)小于250mm。在一般的8.4mx8.4m的柱網(wǎng)布置下，當(dāng)采用十字梁布置時，單塊板尺寸為4.2mx4.2m,其板厚與跨度之比為1/16.8,板的利用率較好；當(dāng)采用井字梁布置時，單塊板尺寸為2.8mx2.8m,其板厚與跨度之比為1/11.2,板的利用率較差；在十字梁布置的情況下，次梁搭在主梁的跨中，導(dǎo)致主梁的跨中彎矩較大，梁高相對較大不利于地下室的凈高控制；在井字梁布置的情況下，次梁搭在主梁的1/3 處，主梁的跨中彎矩較為平緩，梁高相對較小有利于地下室的凈高控制。由此可見傳統(tǒng)的地下室頂板次梁布置各有利弊，為了充分發(fā)揮地下室頂板的性能，無次梁的布置方案往往有更好的經(jīng)濟(jì)性。無次梁的布置方案一般有兩種，一種是斜交梁布置，一種是正交梁布置。斜交梁布置即主梁按45°角把柱子兩個方向拉結(jié)起來，同樣在8.4mx8.4m 的柱網(wǎng)布置下，斜交布置時單板尺寸為5.94mx5.94m，其板厚與跨度之比為1/23.8，其值接近工程常取的1/30 的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，板的利用率較好，但斜交梁的跨度較大，梁截面的高度較大。正交梁布置時，板的跨度較大，需采用板端加腋的方法，通常為主梁邊斜向上延伸至凈跨1/4 至1/6的范圍進(jìn)行加腋，加腋高度為0.5 至1.2 倍板厚，采用此結(jié)構(gòu)主梁高度相對較小，室內(nèi)空間簡潔，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

四、上部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

目前的建筑設(shè)計(jì)過程中，往往在項(xiàng)目的前期方案階段，結(jié)構(gòu)的參與度很低。這導(dǎo)致了對建筑方案結(jié)構(gòu)的合理性和可行性分析的缺失，使得之后結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程難度增加，同時伴隨著結(jié)構(gòu)成本的增長。因此結(jié)構(gòu)的優(yōu)化工作應(yīng)在項(xiàng)目的方案階段就介入其中，這樣能確保建筑合理的結(jié)構(gòu)選型，從根源上為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化工作打好基礎(chǔ)。在設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇也往往對結(jié)構(gòu)的造價有較大的影響，如對于開間較小，房間較多的建筑，其隔墻荷載的取值對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算影響明顯，對于層數(shù)較多的建筑，當(dāng)采用輕質(zhì)隔墻代替普通磚砌隔墻后，其地震作用力顯著減少，基地反力下降，基礎(chǔ)造價同時減少，具有較好的經(jīng)濟(jì)價值。在節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造設(shè)計(jì)上，因?yàn)椴煌瑫r期材料的價格變化，應(yīng)結(jié)合當(dāng)前市場的材料價格確定節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造措施。如2020 年初至今，鋼材的價格一直處在一個較高的位置，在鋼筋連接的選擇上，若采用搭接連接，其搭接的長度較長，鋼筋的用量相對較多，而采用機(jī)械連接則可以節(jié)省搭接鋼筋的長度，比較當(dāng)前市場的鋼材價格和機(jī)械連接的費(fèi)用，采用機(jī)械連接的方式，在結(jié)構(gòu)造價上更為經(jīng)濟(jì)。

五、結(jié)束語

結(jié)構(gòu)的優(yōu)化是一個系統(tǒng)而全面的過程，優(yōu)化工作應(yīng)該貫穿在建筑項(xiàng)目的整個設(shè)計(jì)周期中，優(yōu)化工作除了在結(jié)構(gòu)布置優(yōu)化的基礎(chǔ)上，還應(yīng)該更多的結(jié)合市場上的材料價格，施工成本和新型技術(shù)，對不同的方案進(jìn)行綜合的比選。從而在保證結(jié)構(gòu)安全的基礎(chǔ)上，節(jié)省建筑結(jié)構(gòu)的建設(shè)成本。