A級高度改善型住宅的剪力墻優(yōu)化設(shè)計探討

徐超， 楊鵬， 余飛， 薛鵬娜

（深圳市華陽國際工程設(shè)計股份有限公司武漢分公司，武漢 430062）

0 引言

超過JGJ 3-2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（以下簡稱《高規(guī)》）［1］定義的A級高度，或存在多項不規(guī)則的結(jié)構(gòu)，需進行“性能設(shè)計”［2］。同等條件下，采取“性能設(shè)計”會使土建成本增加10%～20%［3］，故開發(fā)商往往將超高層住宅高度限制在A級以內(nèi)。對于接近A級高度限值的超高層住宅，結(jié)構(gòu)設(shè)計師的“固有思路”是基于經(jīng)濟性將分隔墻、外墻均設(shè)計為剪力墻，以滿足計算指標要求［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。這無疑打破了結(jié)構(gòu)設(shè)計師的“固有思路”。此外，當下競爭激烈的房地產(chǎn)市場讓開發(fā)商對住宅產(chǎn)品競爭力的把控愈發(fā)嚴格［6］，使得在最初戶型方案設(shè)計時便存在結(jié)構(gòu)不規(guī)則。種種因素無形中增加了住宅項目結(jié)構(gòu)設(shè)計難度，需對A級高度改善型住宅項目剪力墻布置進行優(yōu)化設(shè)計。

文中總結(jié)了剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵思路，并結(jié)合某實際住宅項目，從計算指標、經(jīng)濟性、可改造性三方面分析了5組剪力墻布置方案，以期對A級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)計的關(guān)鍵思路

1.1 方案設(shè)計階段

剪力墻的布置受到戶型設(shè)計的影響，在方案設(shè)計時，應與方案人員密切溝通，對方案進行結(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)計奠定基礎(chǔ)。

1.2 施工圖設(shè)計階段

（1） 均勻布墻。在一個結(jié)構(gòu)單元中，若剪力墻布置不均勻，個別墻肢承擔的地震剪力比例大，當超過設(shè)防地震時，該內(nèi)力集中的剪力墻將首先發(fā)生破壞，可能會因此而引發(fā)連續(xù)坍塌。

（2） 少布短肢剪力墻。對于超高層住宅，短肢剪力墻延性差，配筋率高，經(jīng)濟性差，設(shè)計時應盡量避免使用。

（3） 墻肢對齊、少做半框。剪力墻各墻肢之間受力有聯(lián)動效果，對齊的墻肢通過連梁或框架墻形成整體，能使兩片剪力墻協(xié)同工作。比起相同長度獨立墻肢或半框架墻肢，墻肢對齊能有效提高結(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)濟性好，但延性和穩(wěn)定性差，尤其布置在建筑角部會不利于結(jié)構(gòu)計算滿足位移角等指標；翼墻能起到扶壁作用，易于梁縱筋錨固，但其中T形、Z形等形狀復雜的翼墻，增加了墻肢的含鋼量，L形墻肢相對最優(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洞過多，可能造成抗側(cè)剛度突變，形成結(jié)構(gòu)薄弱層。

（6） 弱中間、強周邊。加強距結(jié)構(gòu)剛心最遠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m2，含14棟超高層住宅，1棟幼兒園和1棟小學。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，標準層層高為3m，避難層層高3.15m，大屋面結(jié)構(gòu)標高為138.9m，小于6度區(qū)剪力墻結(jié)構(gòu)A級高度限值140m。工程結(jié)構(gòu)設(shè)計基準期和設(shè)計使用年限均為50年，抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計基本地震加速度值為0.05g，場地類別為Ⅲ類，設(shè)計地震分組為第一組，基本風壓為0.35kN/m2，地面粗糙度類別為C類。圖1為標準層建筑平面圖，四梯四戶，由中間分戶墻為中線兩側(cè)鏡像設(shè)計，建筑面積左起分別為143、125m2。

圖1 標準層建筑平面圖

該戶型方案的結(jié)構(gòu)設(shè)計難點如下：①為南北通透采光好，將平面設(shè)計的比較窄，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，開間尺寸不一致，導致部分戶內(nèi)縱向剪力墻不能對齊，無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)計為飄窗，使得對位移角最敏感的角部無法形成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)計師的“固有思路”出發(fā)，設(shè)計了基礎(chǔ)方案，圖2為基礎(chǔ)方案剪力墻布置圖（對稱戶型，僅示意左側(cè)布置）：底部1～7F剪力墻混凝土強度等級為C60，7F以上每隔5層降低一級標號直至C30；隔墻幾乎均設(shè)計為剪力墻，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）建模計算，標準層結(jié)構(gòu)模型如圖3所示，結(jié)構(gòu)的主要計算指標見表1。結(jié)構(gòu)X向剛重比小于Y向，說明結(jié)構(gòu)X向整體剛度弱于Y向；但綜合其他計算指標可以明顯看出實際上控制結(jié)構(gòu)Y向剛度對計算更關(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《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，長寬比為2.36，高寬比超過《高規(guī)》建議值。在該戶型優(yōu)化設(shè)計時，保證Y向剛度是關(guān)鍵。

圖3 基礎(chǔ)方案計算模型

表1 基礎(chǔ)方案主要計算指標

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6.9m，住宅空間感和可改造性將顯著提升。但與此同時，縱向墻肢的減少，尤其取消剪力墻W4a后，中間戶型無縱向?qū)R的墻肢，將大大降低結(jié)構(gòu)的Y向剛度，需對加強其他墻肢，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，計算模型見圖5。

圖4 優(yōu)化方案1剪力墻布置圖

圖5 優(yōu)化方案1計算模型

優(yōu)化方案2：若南側(cè)兩臥室間無剪力墻，即取消W2和W5，那么戶型可改造性更大?；诜桨?，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，計算模型見圖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感?；诜桨?，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)計為厚200mm的L型剪力墻W9，如圖8所示，計算模型見圖9。

圖8 優(yōu)化方案3剪力墻布置

圖9 優(yōu)化方案3計算模型

對比方案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)計算指標分析

經(jīng)盈建科軟件建模計算，各方案結(jié)構(gòu)計算指標匯總見表2。

表2 各方案結(jié)構(gòu)計算指標匯總

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，說明取消兩片縱向剪力墻W7和W4a后，導致部分墻肢無法對齊，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，這是因為方案2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，說明其剛度明顯優(yōu)于方案1，符合“強周邊、弱中間”的設(shè)計思路；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對比則說明加強外墻、分布墻和橫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，可對前4組方案進行經(jīng)濟性比較。

3.3 經(jīng)濟性分析

前4組方案經(jīng)濟性指標匯總見表3，根據(jù)武建定［2021］18號文，混凝土和鋼筋單價分別取550元/m3和5000元/t。

表3 各方案經(jīng)濟性指標匯總

表3中數(shù)據(jù)均為盈建科軟件統(tǒng)計的單位面積材料用量，未考慮實配鋼筋、工期和人工費等因素的影響，另外，《高規(guī)》要求6度區(qū)框架-剪力墻結(jié)構(gòu)A級高度限值為130m，即該工程若采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，需進行“性能設(shè)計”，故表中方案2的造價在原統(tǒng)計結(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)主一般不會對此進行改造，因此實際使用時，其可改造性應與方案1相同；可改造性最差的無疑是剪力墻密集基礎(chǔ)方案，餐客廳是其最大獨立空間，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

文中總結(jié)了剪力墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵思路，并分析了某實際6度區(qū)A級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目，目的是盡量避免平、立面不規(guī)則；在施工圖階段對剪力墻深化設(shè)計，遵循均勻布墻、少布短肢剪力墻、多布L形墻肢的原則，并使墻肢對齊、做到“強周邊、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)計為剪力墻，通過加強外墻、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，彌補結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)剛度不足的問題；其中，戶內(nèi)分隔墻若設(shè)計為剪力墻，宜取200mm厚。

（3） 布置剪力墻的固有設(shè)計思路是經(jīng)濟性最佳的，但作為改善型住宅，通過提高其可改造性，使空間靈活，從而提升項目在市場上的競爭力，開發(fā)商能為此在可控范圍內(nèi)增加一定的土建成本。