鋼結構住宅建筑設計探討

吳 寧 （恒天安徽建筑設計研究院有限公司，安徽 合肥 230001）

1 建筑概況

建筑項目在上海市長寧區(qū)，地上部分4.5萬 m，包含2.5萬m的教學樓一棟、2.0萬m的宿舍樓一棟；地下部分1.2萬 m，總面積共計 5.7 萬 m。地上三層以內(nèi)都是大底盤裙房，首層裙房設計為6m層高，二、三層裙房設計均為4.5m層高；上部兩個塔樓，一個用作教學樓，一個用作宿舍樓，二者共用同一大底盤，與下部裙房連為一體。單體北側是13層的教學樓，自四層起均設計為4.2m層高，塔樓高60m；南側是15層宿舍樓，四層設計為4.2m層高；自五層起均設計為3.6m層高，高度同樣為60m。頂部一層設計為連體形式，與主體一側剛接，與主體另一側滑動連接。上部結構均以地下室頂板為嵌固端。

2 結構設計方案比選

因不允許將“結構縫”隔出的單體當成獨立單體，在計算該工程預制率時，整個上部結構需要被當成一個整體，對單體預制率的要求是，至少為40%。其抗震設防烈度要求為7度，場地類別IV類，地震分組設為第一組，0.9s的特征周期。三種結構方案分別為：方案1，鋼結構；方案2，PC預制混凝土結構；方案3，鋼結構+PC預制混凝土組合結構。

2.1 鋼結構

方案1的鋼結構，設計為鋼框架-中心支撐方式，其抗震等級是三級，周期折減系數(shù)為0.9。框架柱采用700mm×30mm～500mm×16mm的矩形管；鋼支撐采用 300mm×500mm×20mm～300mm×300mm×16mm的矩形管；框架梁則采用HN650×300mm～HN400×200mm。結構用鋼量在96kg/m左右。表1列出的結構模型指標，均與規(guī)范要求相符。

鋼結構的各項指標 表1

計算其單體預制率時，所得結果見表2，因合計值超過40%，故符合規(guī)范要求。

2.2 PC預制混凝土結構

方案2的PC預制混凝土結構，設計為裝配整體式框架-現(xiàn)澆剪力墻，整體三級抗震，剪力墻二級抗震，0.8的周期折減系數(shù)。其框架梁截面是400mm×800mm～250mm×500mm；其框架柱截 面 是 500mm×500mm～800mm×800mm；其剪力墻250mm厚；樓板用的是140mm厚鋼筋桁架疊合板，其中預制60mm，其余80mm現(xiàn)澆。方案2結構的各項指標見表3，全部與規(guī)范要求相符。

地上部分的塔樓構件中所有板、梁、女兒墻及樓梯均為預制件，地上三層內(nèi)框架柱為現(xiàn)澆結構，四層及以上方為預制件。計算混凝土結構預制率時，可采用以下公式：

單體預制率=預制體積/（現(xiàn)澆體積＋預制體積）×100%

方案2中求得的混凝土結構單體預制率經(jīng)為40.2%，符合規(guī)范要求。

鋼結構預制率 表2

PC預制混凝土結構的各項指標 表3

2.3 鋼結構+PC預制混凝土組合結構

方案3的組合結構中，將教學樓設計為鋼結構，宿舍樓設計為PC預制混凝土結構，構件截面分別與前兩種方案的尺寸一致。宿舍樓上部結構當中各構件的現(xiàn)澆、預制方式與方案2保持一致。針對宿舍樓部分，求取的單體預制率是38.5%，而教學樓部分的單體預制率是45.6%，按面積進行加權平均后最終求得的單體預制率是42.1%。

3 方案分析

3種結構方案中，在地震與風荷載影響下，結構可能出現(xiàn)的層間位移比與位移角，以及周期比等指標均與規(guī)范要求相符，對其裝配式設計內(nèi)容加以比較，可知其預制率均可滿足要求，具體見表4。

三種方案分析結果 表4

方案1：由于鋼結構技術已經(jīng)成熟，不需設置大量支撐，僅對建筑空間存在局部影響，項目的設計需求能獲得基本滿足。構件生產(chǎn)已實現(xiàn)標準化，產(chǎn)能十分充足，無需與廠家預約，施工周期不長，進度完全受控，對周邊居民不會產(chǎn)生明顯的噪音或污染影響。

方案2：因需要布置大量剪力墻方能實現(xiàn)對周期、位移等指標的控制，嚴重影響空間布局。混凝土構件的預制包括大量深化工作，其產(chǎn)能滿足不了市場需求，往往需提前與廠家預約，工期太長，進度難以掌控，其污染、噪音影響均不容忽視，且其施工水準現(xiàn)階段相對滯后，易出現(xiàn)外墻漏水之類質(zhì)量隱患。

方案3中，其優(yōu)缺點均在方案1、2之間，對于超限高層建筑而言，兩棟連體塔樓的結構動力特性應該盡量保持一致，方符合抗震要求，若結構形式迥異，其動力特性相差大，會通不過超限審查；另外，其單體預制率如何計算，尚無定論，本文所用計算方法需有關部門審批，故不建議采用此方案。

通過綜合分析可知，方案1的材料造價較方案2要高，但好在質(zhì)量小，可節(jié)省部分造價；且鋼結構的生產(chǎn)十分規(guī)范，在空間布置方面也很靈活，施工速度快，預制率也高，體現(xiàn)出最佳的綜合性能，因此最終選用方案1。

4 結語

建筑產(chǎn)業(yè)在全面推進綠色建筑的同時，其發(fā)展要求已無法靠傳統(tǒng)建筑體系來實現(xiàn)，日后的發(fā)展趨勢中，裝配式建筑將成為主流。文中以裝配式建筑為重點，研究了其結構設計的選型，發(fā)現(xiàn)在裝配式建筑的設計和施工領域內(nèi)，鋼結構的優(yōu)勢較明顯，且對于一些細部技術，譬如大跨度、高位連體等的難點解決十分有利，可將溝通相關部門的成本節(jié)省下來，使項目后期的整體進度處于可控狀態(tài)，具有廣泛的發(fā)展前景，是裝配式高層建筑結構形式的首選。鋼結構的不足之處，在于其造價及后期所需維護費與預制混凝土結構相比，會高一些，若項目的預制率要求較低，或結構類型并不復雜，結構設計方案最好還是用PC混凝土，并應對施工工藝加以關注，盡量消除質(zhì)量隱患。在研究項目時，仍有部分不足，在結構形式采用鋼結構+PC混凝土的組合方式時，以建筑面積加權平均的方法對其單體預制率做了簡化計算，但缺乏規(guī)范性支持，在日后的研究中，對結構形式不一樣的連體建筑，計算其單體預制率的具體方法仍有待優(yōu)化。