房屋結構設計中的建筑結構設計優化*

戚世鋒

(廣西桂川建設集團有限公司 廣西 玉林 537700)

1 建筑結構設計技術優化概述

1.1 基礎結構設計優化重點

基礎質量的好壞直接影響到建筑物基礎的穩定性,設計單位既要對以往的設計經驗進行總結,又要與建筑施工單位密切配合、有效地溝通,廣泛吸納建筑基層設計及施工方面的專業人士的觀點,最終制定出一份適合于項目實際的基層施工方案。比如房屋的抗震能力不僅取決于抗震墻體的建造要求,還取決于房屋的上、下兩部分結構的配合[1]。因此,在進行房屋的結構設計時,既要考慮抗震要求,又要考慮基礎的構造形式,從而使基礎的構造更加科學合理。

1.2 建筑整體結構設計優化重點

建筑工程的總體結構的設計質量和總體結構的設計水平對建筑工程的各個方面都有很大的影響,如建筑結構的抗震性能、抗剪能力、建筑資源消耗情況等。所以在進行建筑整體結構設計時,一定要根據工程需要,有針對性地對建筑設計方案進行技術上的優化。目前,我國建筑結構的總體結構設計主要有框架結構、短肢剪力墻結構、框架-剪力墻結構等,都具有獨特的構造優勢。因此,在進行建筑設計時,要根據建筑產品的使用目標以及建設項目的實際條件,對其所包括的各項因素進行科學合理的技術優化。

1.3 建筑結構細部設計優化重點

在建筑結構中,將多個矩形板彼此相連,以增加結構上的應力。同時,通過多個矩形板的組合方式,可以很好地控制墻體的角縫。此外,由于抗震墻體主要使用的是冷軋帶肋鋼筋,因此,在結構抗震墻體的設計過程中,應將其用量保持在一定的范圍內,以便于后期的現場施工作業,并減少工程造價成本。在對建筑物進行細節設計的過程中,為保證細節的精度,經常使用3D 建模方法來構建細節建模,使得細節建模更直觀、更精確[2]。

2 建筑結構優化措施

2.1 概念設計優化技術措施

為了確保建筑結構設計的連貫性,在進行設計前,設計團隊應該對建筑物所在的區域進行實地考察,獲得第一手的設計資料,一起討論建筑結構設計的思路,著重討論建筑材料的設計標準和相關的參數。在討論關于建筑結構概念的問題時,既要有設計團隊中的相關人員,也要有建設單位中的相關人員,力求在設計方案的形成過程中,對建筑的結構設計概念達成一致。通過對建筑結構設計的前期內容探討,提升對建筑結構設計的準確性和完備性,并降低因建筑結構設計概念和設計方案內容模糊而導致的后續施工進度推遲的可能性[3]。此外,在建立建筑結構設計概念時,把建筑的各個方面都結合起來進行系統性的討論,可以有效的加深相關人員對建筑項目和結構設計的理解。

2.2 建筑安全結構技術優化措施

在施工過程中必須貫徹“安全第一”的方針,以保證施工質量的持續提升。基于此,建筑結構的設計者必須對周圍的自然環境有一個較為透徹的了解,并做出合理的判斷,特別是在連續降雨或較大的季節降雨區域,要注意降雨對建筑物本體的不利影響,在進行設計時要有針對性的應對措施。在此基礎上,工程設計者要充分認識到在特定的自然條件下如地震等,對工程進行合理的防護,使其在特定的自然條件下,仍然具有較強的抗災能力。在建筑結構的抗震性能分析中,應考慮建筑結構的抗震性能。

3 建筑結構設計優化

3.1 工程概況

筆者選擇了一棟住宅樓作為研究對象,該大樓的總高度為80 m,是一種具有A 類高度的鋼筋混凝土高層建筑。本項目的主要結構是一種現澆鋼筋混凝土剪力墻結構,安全等級為三級,抗震設防級別為乙類,它的設計使用年限為50年,抗震設防烈度為8度,建筑場地類別為II類,設計基本地震加速度為0.05 g。該地區的基礎風壓力為0.362 k N/m,積雪壓力為0.462 k N/m。本工程的風荷載系數為1.4,地表的粗糙度為B級。

該區域的原有地形為漣水河流域的沖沉積階地。井眼孔口標高大約為48 m。該地基屬于中等強度的軟黏土,該地基屬于二類。從上到下的各個層次如圖1所示。

圖1 工程地基各個土層

3.2 結構選型

3.2.1 豎向結構選型

本工程為26層80 m 的多層住宅,根據住宅樓的高度和用途,有兩種結構型式可供選用。然而在純住宅小區中,框架柱的存在會在某種程度上影響到整體的空間感受,而且住宅小區中的房屋劃分也不夠規范,這就導致框架柱的網絡化布置很難做到規則均勻。盡管在承載力方面,柱的抗側向承載力比剪力墻低,但是柱的抗側向承載力更強,且柱的抗側向承載力也更強。將中部圓柱與剪力墻結合,可以構成一種抗側能力很強的結構體系,特別適合于多層結構體系。但若在低烈度區,又不是高層建筑時,因結構剛度過大,容易造成地震效應過大且成本過高[4]。通過比較兩種方法的優缺點,最終確定采用剪力墻承重結構。

3.2.2 水平承重結構選型

剪力墻既要承受豎向荷載,又要連接豎向荷載。所以,水平受力的設計對保證建筑物的總體穩定和水平荷載的有效傳導起到了很大作用。對于水平荷載作用下的結構形式,可分為板式、無梁式、密式、帶肋、帶肋和帶肋等。

鑒于《高層建筑混凝土結構技術規程》對50 m 及更大高度的剪力墻采用了現澆板,本工程采用了目前廣泛采用的現澆板來進行水平受力。另外,根據現行規范,對于現澆式建筑,其混凝土強度一般為C20～C40,故本次工程選用C30。

3.2.3 底部結構選型

在工程建設中如何選取合適的基礎,直接影響到工程建設的安全,同時還影響到工程建設的成本和進度。所以,在建筑物的設計中選用穩定性好、承載能力大、沉降量少的土層為基礎的承載層。此外,所選取的基礎形態也要具有一定的穩定性,剛性大、變形小,而且要有很強的抗傾覆和抗滑移的能力,盡可能的避免由于地面不均勻的沉降而造成的傾斜。在多層結構中,常有筏形基礎、箱形基礎、樁形基礎等[5]。

該項目采用鉆孔灌注樁法,采用現場澆筑水泥土作為圍護結構。它是人工開挖成孔洞,然后在孔洞中放置鋼筋籠子并灌筑水泥土。該方法具有占地面積小、造價低、技術簡便的優點,施工時可以在鉆孔中進行成井質量檢測,通常適合于地下水水位低、土質致密、干旱地區和多巖石地區。

3.3 剪力墻結構布置原則

在超大型建筑物的總體設計中,首先要考慮建筑的抗震條件,然后對房屋平面布置進行合理的規劃,同時還要對房屋的構造進行合理的規劃,最后才考慮超大型建筑物的設計要求。所以在進行抗震設計時,應綜合考慮其結構系統、房屋尺寸、剛度分配和各部分的性能。在此基礎上,本文擬在建筑節點、轉角處等適當位置,采用多種形式的墻板,利用梁板將其與墻面進行高效連接,以增強其抗彎承載力。在上述研究的基礎上,依據結構的性能需求及設計條件,對結構進行以下幾方面的優化:

(1)充分發揮結構的橫向剛性,以抵抗強地震、強風等載荷;

(2)充分發揮建筑材料的力學性能。

在上述原則的基礎上,參照規范中關于剪力墻布置的規定,筆者做以下幾點的探討:

(1)為了保證框架的剛度不致過大,必須在合適的部位多加幾塊壁面。在同樣的洞口和肢長情況下,剪力墻的厚度是固定的,但是墻的長度和數量是可以調整的。筆者從建筑結構的地震防護角度出發,探討了建筑結構的抗震防護方法;

(2)盡量選用同一支柱,使各構件間的地震反應均勻,并有效地抑制墻體的超筋現象;

(3)除了建筑的窗口外,還可以根據樓房的設計及使用需求,增加樓房的開洞口。同時,在結構的各個層面上,要明確梁間的傳能路徑,盡量減少出現多層結構的傳力現象。由于梁的跨度非常短,因此,如果不是剛度需要,梁高設置不用過高。

3.4 設計方案的優化

房屋建筑的特點為:由于建筑單體數量較多,導致了其在空間上的分布不均勻,豎向沒有特定的構件、布置規律,易發生意外等。在進行剪力墻的設計時,要考慮到墻體的位置、尺寸和數量等因素。筆者以原設計計劃為依據,以某住宅項目為例,以剪力墻的布置及數量為依據,對該建筑實際方案進行優化設計。

方案一:原先方案是遵循了規范中所確定的剪力墻布局的原則,并以建筑的平面特點為基礎,對其進行了布局。其標準層結構平面圖如圖2所示。

圖2 方案一結構平面布置圖

方案二:從優化布置角度來看,根據以下幾個方面進行優化:

(1)強化邊緣,弱化中心;

(2)墻肢的形狀規則,盡量減少復雜墻肢的應用;

(3)用連梁或框架梁將該剪力墻聯結在一起,以保證該剪力墻的整體剛度。

該標準層結構平面圖如圖3所示。剪力墻結構單位面積的重力采用15 k N 進行計算取值,即G=15 k N/m2×12 000m2=180 000 k N,使運算大大簡化。根據《建筑抗震設計規范》的規定,為確保在地震作用下的安全,[θ]max=1/2 000,αmax=0.035,Tg=0.04ψT=0.80,計算出FEK=1 128.58 k N。根據結構的約束條件,EIeq≥2.7H2Σni=1Gi進行結構驗算,得出在同一軸上,剪力墻結構所需的總抗側剛度Ecleq=3.58×109k N/m2。根據工程實際情況,本研究擬使用彈性模量平均值Ec=3.20×104k N/mm2。在設計方案二中,X方向上的抗側剛度為EcIeq=6.89×109k N/m2,Y 方向上的抗側剛度為EcIeq=5.78×109k N/m2,此模式抗側等效剛度較大,有待進一步優

圖3 方案二結構平面布置圖

圖4 方案三結構平面布置圖

4 結語

我國住宅建設日益受到重視,人們對住宅的需求從單純的實用性、安全性,向美觀、經濟、適用等方面傾向。為了保證住宅建筑的正常使用,必須對其進行合理的結構設計,以達到提高建筑利用率、節約成本的目的。為此,結構設計應引進全新的設計理念,從建筑的使用功能、施工現場環境、設計使用壽命等全面地分析建筑結構,從建筑主體結構、結構形式、給排水系統、構件等多方面來對建筑結構設計進行優選,采取最優的結構設計方案,既可以滿足人們的生活需要,又可以促進建筑業的高品質發展。