高層住宅結構設計優化初探

李 坤

(安徽省城鄉規劃設計研究院，安徽 合肥 230022)

0 引言

隨著經濟的不斷發展，以節約資源、保護環境為核心的綠色建筑設計越來越受到人們的重視。而建筑結構設計優化對于節約建筑材料、改進結構性能具有重要的意義，是綠色建筑設計的重要組成部分。一般來說，建筑結構設計優化分為三個層面，第一個層面是結構構件層面的優化，一般用混凝土用量和含鋼量作為評價指標。第二個層面是結構方案及地基基礎的優化，這個層面的優化不僅涉及到工程造價的降低，還涉及到結構性能的改進、施工的便利等方面。第三個層面是建筑方案的優化[1]。筆者通過對建筑結構設計優化的理論及實踐的認識，并結合工程實例，探討一下高層住宅結構方案、地基基礎及結構構件設計優化的要點。

1 結構方案及地基基礎的設計優化

1.1 結構方案及結構布置優化

高層建筑結構平面布置宜簡單、規則、均勻、對稱[2]。高層住宅應優先采用純剪力墻結構，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簡單，以減少邊緣構件的數量；截面形狀首選L形。評價剪力墻布置經濟合理性主要有以下三個指標：墻地比、結構層間位移角和剪重比。墻地比=標準層豎向構件截面面積/標準層建筑面積。如合肥地區60 m～80 m高層住宅墻地比參考值為5.5%。結構層間位移角宜控制在1/1 300～1/1 000之間。剪重比是結構計算比較重要的指標。當結構的整體剛度選擇比較合理時，僅僅底部幾層(一般不大于地上總樓層數的15%)的地震剪力系數不滿足要求，可以采用計算軟件中全樓地震力放大系數來調整地震剪力。如果有15%以上樓層的剪力系數不滿足最小剪力系數要求，或底部樓層剪力系數小于最小剪力系數的85%時，說明結構整體剛度偏弱或結構太重，此時應調整結構布置，增強結構剛度或減小結構重量。

1.2 地基基礎設計優化

從造價角度考慮，在確保承載力滿足計算要求的前提下，應優先選用天然地基，當天然地基不能滿足要求時，可以依次采用CFG樁復合地基、預應力混凝土管樁、鋼筋混凝土鉆孔灌注樁。一般情況下，CFG樁復合地基造價是預應力混凝土管樁的40%～80%，鋼筋混凝土鉆孔灌注樁造價是預應力混凝土管樁的1.1倍～1.3倍。高層住宅一般采用平板式筏板基礎，不宜采用肋梁式筏基。

2 結構構件設計優化

高層住宅優先采用高強度的鋼筋，承重豎向結構構件優先采用高強度的混凝土，梁板結構在計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件設計優化

對剪力墻結構來說，剪力墻的用鋼量約占總用鋼量的40%～50%，邊緣構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建筑抗震設計規范(2016年版)[3](簡稱《抗規》)和JGJ 3—2010高層建筑混凝土結構技術規程[2](簡稱《高規》)進行設計。

剪力墻邊緣構件一般按以下原則進行設計優化：1)縱筋可以采用兩種直徑鋼筋搭配配筋。邊緣構件豎向鋼筋大于《高規》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)剪力墻約束邊緣構件可按照《高規》7.2.15-1條考慮水平分布筋計入體積配箍率。3)邊緣構件箍筋可以采用兩種直徑，即外箍采用大直徑，內箍采用小直徑。

2.2 梁板設計優化

高層剪力墻結構住宅中，梁、板鋼筋用量分別占標準層鋼筋用量的35%～45%,12%～16%。高層住宅中，在合理的板跨內，應盡量少設置次梁，梁寬盡量與隔墻一致。對于住宅內厚度不大于120 mm的輕質隔墻，墻下可以不設置梁，采用板底加強筋進行加強。

由于住宅內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級鋼筋的板最小配筋率，混凝土強度等級為C35時為0.20%,C30時為0.18%,C25時為0.16%)，所以樓面梁板應采用高強鋼筋和低強度混凝土，一般采用HRB400級鋼筋，C25,C30強度等級混凝土。采用低強度混凝土不僅可以降低混凝土的造價，還可以減小板的最小配筋率，進而降低板鋼筋的造價。此外，梁板采用低強度混凝土，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生，改善結構的性能。在滿足規范要求及方便施工的前提下，住宅樓板配筋宜細而密。

3 工程實例

合肥市某高層住宅，24層剪力墻結構，抗震設防烈度7度，設計基本地震加速度為0.10g，抗震等級為三級。筆者所在單位受業主委托，對該工程提供設計優化咨詢。由于基礎持力層的天然地基承載力為280 kPa，不能滿足該工程需要，原設計采用了預應力混凝土管樁(樁型為PHC-500-AB-125),經濟性較差。現將該工程地基處理方案改為CFG樁復合地基，CFG樁徑400 mm，樁長14 m，樁距1.6 m矩形布樁。CFG樁復合地基承載力計算過程如下：

由JGJ 79—2012建筑地基處理技術規范[4]式7.1.5-2。

其中,fspk為復合地基承載力特征值，kPa；λ為單樁承載力發揮系數，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為樁間土承載力發揮系數,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。

計算得到：

處理后的復合地基承載力特征值約460 kPa，可以滿足要求。經過估算，原設計地基處理費用約73萬元，優化后的地基處理費用約45萬元，較原設計節省了近40%。

4 結語

高層住宅結構設計優化，不僅節省了材料，提高了經濟效益，而且改善了結構的性能，是綠色建筑設計的一個重要方面，值得今后進一步深入探討。