高層住宅剪力墻結構設計優化與建筑空間要求的設計探討

丁 萍

廣東南粵瓏圖建筑設計有限公司，廣東佛山 528000

建筑結構設計日趨復雜化，故在此設計過程中，需不斷優化。在優化方面，目前，我國加大了研究力度，并取得了一定成效。然而，到目前為止仍沒有一個成熟的數學模型，既可以滿足結構設計規范要求，又能使結構最優化，普遍認為，當結構構件的內力達到最大承載力時，其結構是最優的。在現實設計中要達到這個要求，需要設計者以結構構件為目標，對結構構件進行優化設計，使得結構設計最優化。在優化過程中，結構專業

圖1 住宅優化前的平面圖

2 結構設計中存在的問題分析

根據 GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》（2016年版）規定，在圖1中，l/Bmax=7000/住宅優化前的平面圖尺寸19900=0.352，由于大于0.35，因此可以判斷平面屬于凹凸不規則類型。另外，經過初步計算得知，在滿足墻肢加長的條件下，首層墻體的厚度擬取400mm，也難以滿足側向剛度比的要求，由此也可以判斷豎向為側向剛度不規則類型。由此可見，本工程有兩項不能滿足規則性的要求，應按照《建筑抗震設計規范》GB 50011—2010（2016年版）中的規定，需要對水平地震作用下的內力進行調整，并對薄弱部位采取加強措施。筆者認為，若不能合理優化平面形狀，盲目采取一些加強措施，必然會造成不必要的經濟損失。由于在建筑平面增加部分樓板，而這些樓板對建筑物的使用功能影響較小，通過共同協商，決定對其進行優化，優化后的住宅平面見圖2。

對圖1的剪力墻布置進行分析得知，核心筒位置的墻體布置須早期介入建筑專業進行溝通協調，從而使優化的結構同時滿足建筑空間要求。

1 工程概況

某商住樓位于佛山市南莊鎮，總建筑面積5.4萬m2。由局部一層商鋪，3棟獨立高層住宅，地下一層停車庫組成。首層局部商鋪建筑面積653m2，層高9.0m；1～3座主體高層住宅28層，高85.70m，層高2.9m，建筑面積為41905m2；地下一層停車庫建筑面積為9785m2。主體沿豎向質量及剛度分布較均勻，住宅標準層一梯6戶，中部為樓梯間、電梯間、設備管道井組成垂直系統單元，其周邊東、西向各一戶單元，南北向各兩戶單元，形成兩梯6戶。平面體型規整。

本工程采用框架剪力墻結構，抗震設防烈度為7度，基本分壓值0.5kN/m2。

圖2 住宅優化后的平面圖

結構嵌固端選取于地下室頂板處。住宅優化前的平面見圖1。住宅優化后的平面圖見圖2。數量較多，剛度較大。通過建模和計算，得出Y-5%震偶然偏心作用下Y方向位移角的比值和最大層間位移角，以及X，Y方向最大層間位移角，其計算數據見表1。

表1 結構側移表

根據表1中分析，住宅結構平面中核心筒處的剪力墻數量有削減現象。對結構中部的剛度有一定的削弱作用，這樣不僅有利于對結構扭轉效應進行控制，而且可以大大降低工程造價。假如所有墻體的厚度為200mm，如果對核心筒處的部分墻體進行削減，將會大幅度地減少混凝土用量及對原有墻體鋼筋進行扣除，其具有一定的經濟性。除此之外，由于本住宅樓為高層建筑，核心筒以外為墻肢，這樣可以縮短其長度，如每隔5～7層可以縮短一次，但值得注意的是，要對結構位移比、軸壓比等進行嚴格檢查，看是否滿足規范要求，同時要確保墻肢長度應不小于墻體厚度的8倍，以避免墻體變成短肢剪力墻。

3 優化措施

3.1 形狀優化

根據GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》（2016年版）中的規定：在高層建筑結構單元內，需要確保結構平面形狀的簡單化和規則化，剛度分布要均勻，平面不宜過長，突出部分長度不宜過大，見表2；同時，要確保建筑的豎向體型的均勻性，避免外挑和內收過大，結構的側向剛度要平衡，變化要均勻，盡量避免采用豎向布置不規則的結構。例如，如果高層建筑的結構平面布置和豎向布置較均勻且規則，其各項指標的校核驗算也容易達到規范的要求，反之，各項指標難以達到規范要求。還可能造成墻柱截面過大，建筑重量嚴重超標，從而增加了工程造價，影響建筑的使用。通過在建筑方案階段，結構專業的早期介入，從建筑的平面方案開始結構專業提出建議，在滿足戶型配比要求的前提下，平面從不對稱形式優化為對稱形式，結構柱盡量調整為異形剪力墻，使空間墻體平整，在結構優化的同時又滿足了建筑空間使用的要求。

表2 突出部分長度的限值

另外，結構設計人員一定要重視概念設計，要確保概念設計在建筑方案設計階段介入，并結合建筑結構的特點，在滿足適用、美觀的情況下，合理布置建筑結構的平面和豎向，在進行平面和豎向布置時，要盡量以“簡單、規則、均勻”為原則。以此思想指導設計是合理的剛度和承載力體系，盡量避免由于局部削弱而造成薄弱部位的結構體系。這樣有利于不斷優化施工圖設計階段的截面尺寸。

3.2 剪力墻平面布置

在布置剪力墻平面時，應注意以下幾點：第一，在住宅結構平面布置過程中，不僅要滿足建筑的使用功能，而且要沿周邊均勻布置剪力墻。剪力墻的布置要位于建筑物的電梯間、樓梯間、平面形狀變化較大的部位，且確保剪力墻之間的距離不能過大；第二，在剪力墻結構布置中，需要沿主軸方向進行布置，對于抗震設計的剪力墻結構，盡量避免采用單向的布置形式；第三，在剪力墻布置時，要確保墻肢截面簡單化、規則化，結構的側向剛度不宜過大；第四，在結構設計中，應盡量減少短肢剪力墻的數量，不能全部使用短肢剪力墻結構。

4 結語

以上案例，針對高層住宅建筑剪力墻結構的優化設計分析中，可知，住宅建筑剪力墻結構優化設計的核心，主要體現在結構整體與局部的關聯，因此，結構設計人員不僅要從建筑結構的整體考慮，同時需結合局部，做好結構整體和局部的協調關系，方案初期，與建筑專業密切溝通，在保證安全、經濟、合理的前提下，盡量滿足建筑空間要求，以上分析探討，僅供同行參考。