第四代住宅結構設計淺析

朱敏 湖南省郵電規劃設計院有限公司

1 前言

第四代住宅是將森林和城市建筑結合，把園林搬到空中，也稱庭院房、城市森林花園建筑或者立體園林生態住房，最初由清華大學建筑設計研究院提出。其主要特征是：每家每戶都有私家庭院，可種花、種菜、養鳥，讓現代人生活在綠色生態環境中。歷經“茅草房”、“磚瓦房”、“電梯房”之后，住房第四次更新迭代，四代住宅不僅能滿足人們的身體需求，更注重現代人的精神需求，綠色生態環境豐富人們的休閑生活，使家變成家園，使城市變成園林，達到人與自然和諧共生。隨著時代的進步，技術手段的提升，充滿綠色氣息的庭院不僅可以滿足住戶的精神需求，更能為城市增添綠色，改變城市風貌，調節局部微氣候，第四代住宅的市場前景值得期待。

第四代住宅是符合人們居住需求的產品，近年來，已經有多個城市開始建設這種住房，但是實際設計建設中還存在很多問題需要解決，比如，技術標準滯后、建設成本高等。第四代住宅，基于綠色建筑標準，需要建設大面積的庭院，庭院覆土深度甚至需要達到1m以上，相對普通住宅建筑來說，荷載很大，并且分布不均；為滿足采光以及良好的觀感需求，建筑方案傾向于設計大懸挑庭院。這些建筑功能要求，加大了四代住宅的結構設計難度。結構方案設計對四代住宅的使用感、結構安全起著至關重要的作用，相關設計方法的優劣值得研究，設計方案也亟待優化。

大懸挑的庭院結構方案，目前主要有斜撐和框架柱兩種方案?？蚣苤桨甘芰γ鞔_清晰、施工方便，但是框架柱對庭院的采光、視野形成了部分遮擋，對使用感和建筑效果有一定的影響。斜撐方案采用斜柱支撐在相鄰的剪力墻端柱上，對庭院的遮擋較小，但是斜柱的受力較為復雜，在實際施工中需以柱邊梁底定位且存在斜交角度，實際結構與結構設計模型存在差異，斜交位置鋼筋直徑大，鋼筋多，錨固長度大，混凝土振搗困難，施工難度大，施工質量難以保證。

本文擬針對深覆土的大庭院，對比斜撐和框架柱兩種方案的適用性，擬采用盈建科建模計算，對比結構設計指標、含鋼量等，希望通過結果分析，給四代住宅的設計提供一定的參考。

2 算例計算

擬計算住宅抗震設防烈度7度，設計基本地震加速度值為0.10g，場地類別為Ⅱ類，設計地震分組為第一組，特征周期為0.35s?；撅L壓0.40kN/m2，承載能力極限狀態計算時考慮放大系數1.1，地面粗糙度類別C類，基本雪壓0.55kN/m2。結構設計使用年限50年，建筑結構安全等級二級。地下2層，地上25層，首層層高4.6m，標準層層高2.95m，建筑高度75.5m。住宅共一個單元，每層4戶，每戶均設置私家庭院，庭院覆土深度1m，可種樹養花，庭院分奇偶層在不同位置設置。

圖1~圖2為框架柱方案平面布置圖，圖3~圖4為斜撐方案平面布置圖。框架柱方案在庭院位置布置了10根框架柱，減少了庭院懸挑的長度，其中8根框架柱為圓柱，具有裝飾美化作用。斜撐方案取消10根框架柱，改為斜撐，對應位置剪力墻厚度增至600mm~800mm，庭院視野無遮擋，觀感較好。

本文采用盈建科結構設計系列軟件（YJKS3.1.1）對兩種方案進行建模計算，嵌固端取在地下室頂板，荷載根據建筑使用功能按GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》進行選取。圖5~圖6為兩種方案盈建科模型。

經過計算，在規定水平力作用下，兩種方案的結構底層框架部分承受的地震傾覆力矩與結構總傾覆力矩的比值如表1所示，根據JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結構技術規程》第8章，8.1.3條第2款，當框架部分承受的地震傾覆力矩大于結構總傾覆力矩的10%但不大于50%時，按框架?剪力墻結構進行設計。故框架柱方案按照框架?剪力墻結構設計，剪力墻和框架抗震等級均為二級；斜撐方案按照剪力墻結構設計，剪力墻抗震等級三級，框架部分抗震等級二級。

表1 框架部分地震傾覆力矩比值

結構計算指標如表2所示。

表2 結構計算指標對比

從結構計算指標可以看出，框架柱方案自振周期較小、位移角較小、剛重比較大，框架柱方案的剛度比斜撐方案大。斜撐方案的最大位移角已經接近規范要求的1/1000上限，而框架柱方案的最大位移角，距離框架剪力墻結構的規范要求1/800有一定的富余，故框架柱方案還可以做一定的優化。

根據盈建科計算結果，在軟件中統計地上部分的混凝土及鋼筋用量，如表3所示。因未考慮部分構造做法及配筋調整，且未考慮基礎及地下部分，本表并非真實的用鋼量，僅用于此文中兩種分案的對比。從表中數據可以看到，兩種方案的含鋼量和混凝土方量的差異都在3%左右，綜合來看，兩種方案的經濟性差異不明顯。

表3 兩種方案經濟性對比

3 結果分析及結論

由上述計算結果可見，兩種方案的經濟性對比差異不大，但是結構體系不一樣，結構安全、施工難度方面存在差異，主要體現在以下四個方面。

（1）框架柱方案。剪力墻和框架的抗震等級均按二級設計，理論上此方案含鋼量會較斜撐方案大幅提升，但是計算結果顯示，含鋼量差異不大，同時斜撐方案混凝土方量較框架柱方案略大。綜合來看，經濟性差異不明顯。

（2）框架柱方案。為框架?剪力墻結構，框架?剪力墻結構有剪力墻、框架兩道防線。相對于斜撐方案，框架柱方案多了框架這一層保障。在經濟性差異不大的前提下，框架柱方案能獲得更大的結構剛度，且框架柱方案傳力清晰，對結構安全更有利。

（3）斜撐方案。由于斜柱的布置，可能產生抗震薄弱部位。而斜柱相關的研究工作還較少，設計規范中也缺乏相應規定。在實際項目中，結構設計的做法也是各不相同。而且斜撐方案在設計建模中斜撐的支撐點位置按節點控制，與實際施工的位置不完全一致，實際使用過程中的傳力途徑和內力情況與計算結果可能會存在差異。斜撐方案在結構設計階段存在一定的安全隱患。

（4）框架柱施工工藝成熟，施工質量能夠得到保證。而斜柱施工難度大、施工精度要求高，在施工過程中存在很多困難，具體包括以下幾點：①模板支架需承載鋼筋混凝土垂直方向的重力及水平方向的推力，對其強度、剛度、穩定性均有更高的要求；②斜柱及其鋼筋的傾斜角度在實際施工中很難把控，只能通過控制斜柱與水平面、垂直面的交點位置間接控制，對施工精度要求高；③斜柱通常長度比較大，配筋多，鋼筋直徑大，在混凝土澆筑時，振搗困難，易造成柱面蜂窩麻面甚至爛根現象。即斜柱施工在鋼筋制作、綁扎、定位、保護層控制、模板支架、混凝土振搗等方面均存在較大難度，施工質量難以得到保證。

4 結束語

綜上所述，兩種方案經濟性差異不大，雖然斜撐方案觀感更好，但是在設計階段，斜柱計算缺乏可靠的理論支撐，施工階段也存在困難；而框架柱方案理論成熟，施工方便。建議在建筑方案設計階段，在滿足建筑使用功能的前提下，優先布置框架柱，適量采用斜撐，以確保結構安全。