徐超， 楊鵬， 余飛， 薛鵬娜

（深圳市華陽(yáng)國(guó)際工程設(shè)計(jì)股份有限公司武漢分公司，武漢 430062）

0 引言

超過(guò)JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（以下簡(jiǎn)稱《高規(guī)》）［1］定義的A級(jí)高度，或存在多項(xiàng)不規(guī)則的結(jié)構(gòu)，需進(jìn)行“性能設(shè)計(jì)”［2］。同等條件下，采取“性能設(shè)計(jì)”會(huì)使土建成本增加10%～20%［3］，故開(kāi)發(fā)商往往將超高層住宅高度限制在A級(jí)以內(nèi)。對(duì)于接近A級(jí)高度限值的超高層住宅，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師的“固有思路”是基于經(jīng)濟(jì)性將分隔墻、外墻均設(shè)計(jì)為剪力墻，以滿足計(jì)算指標(biāo)要求［4］。戶內(nèi)密集的剪力墻限制了業(yè)主后期改造的可能性。區(qū)別于剛需型住宅，改善型住宅更注重品質(zhì)，要求建筑面積大、空間靈活、可改造性高［5］。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度而言，賦予住宅更大的空間感和可改造性的直接途徑是盡可能減少戶內(nèi)剪力墻，優(yōu)化梁板布置。這無(wú)疑打破了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師的“固有思路”。此外，當(dāng)下競(jìng)爭(zhēng)激烈的房地產(chǎn)市場(chǎng)讓開(kāi)發(fā)商對(duì)住宅產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的把控愈發(fā)嚴(yán)格［6］，使得在最初戶型方案設(shè)計(jì)時(shí)便存在結(jié)構(gòu)不規(guī)則。種種因素?zé)o形中增加了住宅項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度，需對(duì)A級(jí)高度改善型住宅項(xiàng)目剪力墻布置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

文中總結(jié)了剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵思路，并結(jié)合某實(shí)際住宅項(xiàng)目，從計(jì)算指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性、可改造性三方面分析了5組剪力墻布置方案，以期對(duì)A級(jí)高度改善型住宅的剪力墻布置提供參考。

1 剪力墻優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵思路

1.1 方案設(shè)計(jì)階段

剪力墻的布置受到戶型設(shè)計(jì)的影響，在方案設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)與方案人員密切溝通，對(duì)方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)可行性分析［7］：初步布置剪力墻，調(diào)整方案不合理之處，盡量避免平、立面不規(guī)則，形成更合理的抗側(cè)力體系，為后續(xù)施工圖設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

1.2 施工圖設(shè)計(jì)階段

（1） 均勻布?jí)?。在一個(gè)結(jié)構(gòu)單元中，若剪力墻布置不均勻，個(gè)別墻肢承擔(dān)的地震剪力比例大，當(dāng)超過(guò)設(shè)防地震時(shí)，該內(nèi)力集中的剪力墻將首先發(fā)生破壞，可能會(huì)因此而引發(fā)連續(xù)坍塌。

（2） 少布短肢剪力墻。對(duì)于超高層住宅，短肢剪力墻延性差，配筋率高，經(jīng)濟(jì)性差，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免使用。

（3） 墻肢對(duì)齊、少做半框。剪力墻各墻肢之間受力有聯(lián)動(dòng)效果，對(duì)齊的墻肢通過(guò)連梁或框架墻形成整體，能使兩片剪力墻協(xié)同工作。比起相同長(zhǎng)度獨(dú)立墻肢或半框架墻肢，墻肢對(duì)齊能有效提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度。

（4） 優(yōu)先布置L形剪力墻。一字形剪力墻經(jīng)濟(jì)性好，但延性和穩(wěn)定性差，尤其布置在建筑角部會(huì)不利于結(jié)構(gòu)計(jì)算滿足位移角等指標(biāo)；翼墻能起到扶壁作用，易于梁縱筋錨固，但其中T形、Z形等形狀復(fù)雜的翼墻，增加了墻肢的含鋼量，L形墻肢相對(duì)最優(yōu)。

（5） 沿高度方向均勻變化。剪力墻延高度方向宜均勻、連續(xù)，若在中間樓層墻肢減短或開(kāi)洞過(guò)多，可能造成抗側(cè)剛度突變，形成結(jié)構(gòu)薄弱層。

（6） 弱中間、強(qiáng)周邊。加強(qiáng)距結(jié)構(gòu)剛心最遠(yuǎn)的剪力墻剛度能有效提高結(jié)構(gòu)的抗扭剛度，減小結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)周期，限制“周期比”。戶型中心的剪力墻則往往對(duì)提高結(jié)構(gòu)整體抗扭剛度的作用有限。

2 工程概況

工程位于武漢市中心城區(qū)繁華地段，主塔樓建筑面積約23萬(wàn)m2，含14棟超高層住宅，1棟幼兒園和1棟小學(xué)。超高層住宅地下2層，地上46層，其中2層為避難層，大屋面以上含1層構(gòu)架，標(biāo)準(zhǔn)層層高為3m，避難層層高3.15m，大屋面結(jié)構(gòu)標(biāo)高為138.9m，小于6度區(qū)剪力墻結(jié)構(gòu)A級(jí)高度限值140m。工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期和設(shè)計(jì)使用年限均為50年，抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g，場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，基本風(fēng)壓為0.35kN/m2，地面粗糙度類(lèi)別為C類(lèi)。圖1為標(biāo)準(zhǔn)層建筑平面圖，四梯四戶，由中間分戶墻為中線兩側(cè)鏡像設(shè)計(jì)，建筑面積左起分別為143、125m2。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層建筑平面圖

該戶型方案的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)如下：①為南北通透采光好，將平面設(shè)計(jì)的比較窄，尺寸約為44.2m×18.7m，高寬比為7.43，略大于《高規(guī)》建議的限值6，一定程度上削弱了結(jié)構(gòu)縱向的抗側(cè)剛度［8］；②南北兩側(cè)建筑功能不同，開(kāi)間尺寸不一致，導(dǎo)致部分戶內(nèi)縱向剪力墻不能對(duì)齊，無(wú)法形成最有利的抗側(cè)力體系；③為得到更好的視野，戶型角部設(shè)計(jì)為飄窗，使得對(duì)位移角最敏感的角部無(wú)法形成L形墻肢；④左右兩側(cè)也是飄窗，縱向剪力墻被打斷，削弱了結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度。

從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師的“固有思路”出發(fā)，設(shè)計(jì)了基礎(chǔ)方案，圖2為基礎(chǔ)方案剪力墻布置圖（對(duì)稱戶型，僅示意左側(cè)布置）：底部1～7F剪力墻混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60，7F以上每隔5層降低一級(jí)標(biāo)號(hào)直至C30；隔墻幾乎均設(shè)計(jì)為剪力墻，其中外墻W1、分戶墻W3、W6，以及橫向墻垛Q1墻厚厚均為250mm，其余墻肢厚均為200mm。

圖2 基礎(chǔ)方案剪力墻布置圖

采用盈建科軟件（3.0.2版）建模計(jì)算，標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)模型如圖3所示，結(jié)構(gòu)的主要計(jì)算指標(biāo)見(jiàn)表1。結(jié)構(gòu)X向剛重比小于Y向，說(shuō)明結(jié)構(gòu)X向整體剛度弱于Y向；但綜合其他計(jì)算指標(biāo)可以明顯看出實(shí)際上控制結(jié)構(gòu)Y向剛度對(duì)計(jì)算更關(guān)鍵，如：X向位移角為1/1491，而Y向位移角為1/1092，Y向僅略小于《高規(guī)》限值1/1000，若減少縱向墻肢，則很可能使Y向位移角超過(guò)《高規(guī)》要求。建筑平面偏扁是造成結(jié)構(gòu)Y向更敏感的主要原因，長(zhǎng)寬比為2.36，高寬比超過(guò)《高規(guī)》建議值。在該戶型優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，保證Y向剛度是關(guān)鍵。

圖3 基礎(chǔ)方案計(jì)算模型

表1 基礎(chǔ)方案主要計(jì)算指標(biāo)

3 剪力墻優(yōu)化分析

作為改善型超高層住宅，基礎(chǔ)方案中密集的剪力墻顯然無(wú)法滿足業(yè)主的改造需求，若客廳與相鄰臥室不設(shè)剪力墻，即取消剪力墻W7和W4a，形成異形大板，寬5m、長(zhǎng)6.9m，住宅空間感和可改造性將顯著提升。但與此同時(shí)，縱向墻肢的減少，尤其取消剪力墻W4a后，中間戶型無(wú)縱向?qū)R的墻肢，將大大降低結(jié)構(gòu)的Y向剛度，需對(duì)加強(qiáng)其他墻肢，以保證Y向位移比能滿足《高規(guī)》要求。由此設(shè)計(jì)了優(yōu)化方案1～3。

3.1 剪力墻優(yōu)化方案

優(yōu)化方案1：基于基礎(chǔ)方案，混凝土強(qiáng)度不變，取消剪力墻W7和W4a，外墻W1、分戶墻W3、W6厚由250mm增加到300mm，分隔墻W2和W2a厚由200mm增加到250mm，墻垛Q1厚由250mm增加到350mm，異形大板板厚160mm，如圖4所示，計(jì)算模型見(jiàn)圖5。

圖4 優(yōu)化方案1剪力墻布置圖

圖5 優(yōu)化方案1計(jì)算模型

優(yōu)化方案2：若南側(cè)兩臥室間無(wú)剪力墻，即取消W2和W5，那么戶型可改造性更大。基于方案1，將剪力墻W2和W5分別改成截面為650mm×1200mm和800mm×850mm的Z1和Z2，將電梯前室的短肢剪力墻改成截面為400mm×800mm的Z3，形成框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，此外，外墻W1、分戶墻W3、W6厚由300mm增加到350mm，分隔墻W2a厚由250mm增加至300mm，墻垛Q1厚由350mm增加到400mm，如圖6所示，計(jì)算模型見(jiàn)圖7。

圖6 優(yōu)化方案2剪力墻布置圖

圖7 優(yōu)化方案2計(jì)算模型

優(yōu)化方案3：首層若從南側(cè)入戶，剪力墻W6的布置將降低入戶大廳的高級(jí)感。基于方案1，取消W6，隔墻W5厚由200mm增加至250mm，在中間戶的次臥與衛(wèi)生間之間設(shè)計(jì)為厚200mm的L型剪力墻W9，如圖8所示，計(jì)算模型見(jiàn)圖9。

圖8 優(yōu)化方案3剪力墻布置

圖9 優(yōu)化方案3計(jì)算模型

對(duì)比方案4：此方案結(jié)構(gòu)布置與方案3一致，僅將外墻W1、分戶墻W3、W6和墻垛Q1厚減小到250mm，隔墻W2和W2a厚減小到200mm；此方案用于體現(xiàn)改變墻厚的作用。

3.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算指標(biāo)分析

經(jīng)盈建科軟件建模計(jì)算，各方案結(jié)構(gòu)計(jì)算指標(biāo)匯總見(jiàn)表2。

表2 各方案結(jié)構(gòu)計(jì)算指標(biāo)匯總

由表2可知：①優(yōu)化方案1～3的第一平面周期均較基礎(chǔ)方案增大，說(shuō)明取消兩片縱向剪力墻W7和W4a后，導(dǎo)致部分墻肢無(wú)法對(duì)齊，形成半框架，雖然增加了其余縱向剪力墻厚，但結(jié)構(gòu)整體剛度變?nèi)?，此外，南?cè)橫向墻垛的減少使X向位移角增大明顯；②方案2結(jié)構(gòu)比方案1更柔，這是因?yàn)榉桨?為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，但框架能提供的剛度弱于剪力墻；③方案3的周期和位移角比方案1小，說(shuō)明其剛度明顯優(yōu)于方案1，符合“強(qiáng)周邊、弱中間”的設(shè)計(jì)思路；④方案4的Y向位移角大于《高規(guī)》限值1/1000，底層較多墻肢軸壓比大于《高規(guī)》限值0.6，最大為0.73，不滿足《高規(guī)》要求；與方案3對(duì)比則說(shuō)明加強(qiáng)外墻、分布?jí)蜋M向墻垛墻厚能有效使結(jié)構(gòu)連成整體，協(xié)同受力，提高結(jié)構(gòu)的剛度；⑤前4組方案均滿足《高規(guī)》要求，并且計(jì)算結(jié)果接近，尤其位移比和底層剪力墻軸壓比幾乎一致，可對(duì)前4組方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較。

3.3 經(jīng)濟(jì)性分析

前4組方案經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)匯總見(jiàn)表3，根據(jù)武建定［2021］18號(hào)文，混凝土和鋼筋單價(jià)分別取550元/m3和5000元/t。

表3 各方案經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)匯總

表3中數(shù)據(jù)均為盈建科軟件統(tǒng)計(jì)的單位面積材料用量，未考慮實(shí)配鋼筋、工期和人工費(fèi)等因素的影響，另外，《高規(guī)》要求6度區(qū)框架-剪力墻結(jié)構(gòu)A級(jí)高度限值為130m，即該工程若采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，需進(jìn)行“性能設(shè)計(jì)”，故表中方案2的造價(jià)在原統(tǒng)計(jì)結(jié)果上放大了1.15倍。

由表3可知，基礎(chǔ)方案土建成本最低，其次是方案3，再次是方案1；其中，方案3土建成本比基礎(chǔ)方案高3.63%。

3.4 可改造性分析

方案2取消了客廳與次臥、主臥與次臥之間的兩道縱向剪力墻，若連續(xù)打通，改造空間最大，以邊戶為例，可改造的面積約為61.77m2；其次是取消了客廳和次臥剪力墻的方案1，以邊戶為例，可改造的面積約為46.15m2；方案3邊戶改造空間與方案1相同，不同處在于增加了中間戶次臥與衛(wèi)生間之間剪力墻，但受限于衛(wèi)生間降板、管道敷設(shè)、防水等因素，業(yè)主一般不會(huì)對(duì)此進(jìn)行改造，因此實(shí)際使用時(shí)，其可改造性應(yīng)與方案1相同；可改造性最差的無(wú)疑是剪力墻密集基礎(chǔ)方案，餐客廳是其最大獨(dú)立空間，約31.74m2。

綜合考慮，優(yōu)化方案3成本略高于基本方案，并具有一定的可改造性，此方案最優(yōu)。

4 結(jié)語(yǔ)

文中總結(jié)了剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵思路，并分析了某實(shí)際6度區(qū)A級(jí)高度改善型住宅的剪力墻布置方案，得到以下結(jié)論：

（1） 在方案階段便介入項(xiàng)目，目的是盡量避免平、立面不規(guī)則；在施工圖階段對(duì)剪力墻深化設(shè)計(jì)，遵循均勻布?jí)?、少布短肢剪力墻、多布L形墻肢的原則，并使墻肢對(duì)齊、做到“強(qiáng)周邊、弱中間”，能有效改善結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度和抗扭剛度。

（2） 改善型住宅追求空間靈活、可改造性高。布置剪力墻的優(yōu)化思路是：少將戶內(nèi)分隔墻設(shè)計(jì)為剪力墻，通過(guò)加強(qiáng)外墻、分戶墻或橫向墻垛的方式，將外墻和分戶墻盡量圍合成整體，協(xié)同受力，彌補(bǔ)結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)剛度不足的問(wèn)題；其中，戶內(nèi)分隔墻若設(shè)計(jì)為剪力墻，宜取200mm厚。

（3） 布置剪力墻的固有設(shè)計(jì)思路是經(jīng)濟(jì)性最佳的，但作為改善型住宅，通過(guò)提高其可改造性，使空間靈活，從而提升項(xiàng)目在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力，開(kāi)發(fā)商能為此在可控范圍內(nèi)增加一定的土建成本。