高层剪力墙住宅结构成本优化措施及应用

伊永忠，魏伟

（淄博市建筑设计研究院，山东 淄博255037）

高层剪力墙住宅结构成本优化措施及应用

伊永忠，魏伟

（淄博市建筑设计研究院，山东 淄博255037）

在确保结构安全的前提下，将有限资源配置到关键部位，做好结构成本优化，具有十分重要的意义。文章基于大量高层剪力墙结构住宅楼设计经验，提出了高层剪力墙住宅结构设计时成本优化的原则，围绕成本优化中结构方案、结构计算分析、结构构造配筋等对结构成本有重要影响的因素，建立了高层剪力墙住宅结构成本的优化措施。以山东省淄博市高层剪力墙结构住宅为例，分析了剪力墙结构成本的优化过程，并将优化前后的结构成本进行分析比较表明，通过结构优化设计，在确保高层剪力墙住宅结构安全的前提下，更充分发挥了建筑材料力学性能，有效降低了结构成本，以减少建筑材料的浪费，做到物尽其用。

高层剪力墙住宅；成本控制；结构布置

0 引言

剪力墙结构设计房间布置灵活，建筑物朝向、通透性等容易满足需求，广泛受到房地产开发商以及购房业主的青睐。高层剪力墙结构住宅将成为住宅建设的主流。

目前，国内已有较多结构成本优化设计的理论研究和工程实践。冯中伟等重点从优化剪力墙布置等角度对剪力墙结构优化做出阐述［1］；马臣杰等介绍了采用有限元迭代方法对结构成本优化设计思路［2］；陆海燕等介绍了结构基础设计优化方法［3］；王巍等针对某一特定剪力墙住宅进行了结构优化设计分析研究［4］；王传甲对高层框架剪力墙结构进行了抗震性能优化设计［5］。对建筑结构设计优化的研究也有较多文献［6-9］，但对高层剪力墙住宅进行专项结构成本控制研究的资料依然缺少。

文章通过对大量高层剪力墙住宅设计进行分类整理，针对高层剪力墙结构成本控制设计进行了分析研究，重点对结构布置方案进行概念性合理优化，并注重结构计算分析、结构构造配筋等设计细节，以实现高层剪力墙住宅结构的精细化设计，有效控制结构成本。

1 剪力墙结构成本优化措施

1.1 优化原则

1.1.1 结构方案合理

只有合理的结构设计方案，才能在保证结构安全的前提下降低成本，对于高层剪力墙住宅结构，剪力墙整体布置的合理性是结构方案合理的基础，因此应特别注意剪力墙整体布置的合理性。JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构设计规程》［10］规定了剪力墙结构的布置原则:平面布置宜简单、规则，宜沿两个主轴方向双向布置，2个方向的抗侧刚度不宜相差过大。

高层剪力墙结构方案应有适宜刚度，刚度过大会导致结构地震力整体偏大，而刚度过小会导致地震时建筑物产生过大位移，从而抗倒塌能力不足。根据对大量高层剪力墙住宅结构方案的分析及归类，剪力墙住宅结构最大层间位移角宜控制在1／1000～1／1500。

1.1.2 充分发挥建筑材料性能

建筑材料的浪费是建筑成本升高的主要原因。为了达到经济合理的设计目标，要充分发挥材料的力学性能。结构计算时要对结构体系及构件进行准确的受力分析，不要随意简化，避免结构构件计算不准确导致结构设计不安全或材料浪费。对结构构件进行配筋时，应避免钢筋排布不合理而产生对结构受力没有作用的钢筋，同时尽量减少剪力墙小墙肢和短肢墙等用钢量偏高，但对抗震性能贡献不大的结构构件。

1.2 优化措施

1.2.1 优化结构方案

（1）剪力墙布置优化

以抗震烈度7度区为例，在高层剪力墙住宅标准层单位面积含钢量中，剪力墙墙身的用钢量约占总用钢量的40%～60%，边缘构件的用钢量约占总用钢量的30%～50%，所以剪力墙的结构布置成为控制结构成本的控制性因素。结构布置时，剪力墙的数量不宜过多，并应尽量减少边缘构件的数量。具体措施如下:

①剪力墙数量宜少不宜多，以结构达到最优刚度为原则

结构整体侧移刚度要适中，楼层层间位移与层高的比值接近1／1000时，结构刚度为最优。剪力墙太多不仅加大地震力，而且使结构重量加大，施工工程量相应加大［11］。在方案设计阶段，剪力墙数量可按照底层面积的5%～6%进行控制。剪力墙布置时宜尽量采用大开间布置方式，剪力墙的间距宜控制在6～8 m，以充分利用剪力墙的材料强度。统计资料表明，与小开间布置相比，大开间布置剪力墙可使单位建筑面积的混凝土用量减少20%～30%，钢筋用量减少10%左右。

②强周边，弱中部，增强结构的抗扭刚度

剪力墙尽量布置在结构的周边外围，以增加结构抗扭刚度，必要时可利用窗台增加剪力墙连梁的高度。结构中部尽量减少剪力墙布置，以减小结构的平动刚度。平动刚度的减小有利于控制结构的周期比、位移比，使结构能在不增加剪力墙的前提下满足规范要求的各项控制指标。

③均匀性原则

剪力墙沿整个结构平面布置宜均匀，墙段长度不宜相差过大［12］，不宜布置长度大于8 m的过长墙段，也不宜布置较多的小墙肢和短肢墙。

应控制各墙肢的轴压比，在竖向荷载作用下，各剪力墙墙肢的轴压比宜接近并尽量靠近相应各抗震等级规范规定的轴压比限制。避免墙肢轴压比过小，不能充分发挥材料性能，造成浪费；同时也避免因剪力墙构件竖向变形不均匀，导致梁构件出现塑性变形，影响结构安全［13］。

④墙肢形状宜简单、规则，宜通过连梁或框架梁连成整体抗侧力结构

剪力墙布置时墙肢截面尽量选用L型、T型、十型等简单、规则的形状，避免出现复杂和多向转折的截面，并同时应尽量减少剪力墙边缘构件的数量。结构两个方向的墙肢宜通过连梁或框架梁连成整体，形成整体的抗侧力结构，从而在不增加剪力墙数量的前提下，增加结构的整体抗侧刚度，取得剪力墙少但整体抗侧刚度强的最优布置方案。

⑤剪力墙布置沿竖向均匀变化，避免刚度突变

为避免刚度突变，不宜采用底部剪力墙数量多，而上部剪力墙逐渐减少的布置形式。剪力墙厚度沿高度方向宜均匀渐变，剪力墙的厚度取值除满足规范规定外，可按照墙体厚度不小于0.9 N（N为计算截面以上的层数）进行估算。截面厚度不宜过大，以尽量减轻结构自重。

（2）梁、板布置优化

在高层剪力墙住宅标准层单位面积含钢量中，梁和楼板的用钢量约占总用钢量的35%～55%，所以梁板布置对结构含钢量的影响也不容忽视。

①梁布置

剪力墙结构中梁的跨度一般较小，约3～5 m左右，不宜设置高度较大连梁。由于住宅户型的要求，会出现长度较小的隔墙及墙垛，这些部位下部可不设置梁而改为设置楼板加强筋，以节省钢筋及混凝土用量。过多布置混凝土梁，会使板跨很小，不能充分发挥楼板的材料性能。

②板布置

楼板除客厅位置外一般跨度较小，且活荷载不大。为减轻结构自重，在满足扰度、裂缝以及楼板内设置设备管线所需厚度的前提下，楼板厚度宜尽量取薄。板厚增加2 cm，结构自重将增加3%左右，导致整体结构地震作用增大，结构配筋量相应增大。

1.2.2 合理的计算分析

（1）嵌固端位置的合理选取

计算嵌固端的位置很重要，一般情况下，应尽量将上部结构的嵌固部位选择在地下室顶板，此时结构的加强部位明确，地下室结构的加强范围高度小，结构经济性好。当主楼周边有地下车库，车库顶板与地下室顶板存在高差时，宜采取构造措施，保证水平地震力的可靠传递。

（2）连梁刚度折减系数的合理取值

GB 50011—2014《建筑抗震设计规范》［14］的条文解释中明确提出，计算地震内力时，抗震墙连梁刚度可折减；计算位移时，连梁刚度可不折减。所以在计算位移及位移比时，连梁刚度折减系数应取1，在计算地震内力时，连梁刚度折减系数取值应不小于0.5。许多设计人员往往统一按照0.6取值，导致结构位移计算值偏大。

（3）周期折减系数取值

结构计算模型未考虑非结构构件的刚度贡献，通过经验系数对计算周期进行折减，适当增大结构抵御地震作用的能力是有必要的，应根据填充墙材料及所占的比例来确定周期折减系数，对高层剪力墙结构而言，一般取0.9～1.0。

（4）风荷载地面粗糙度类别取值

地面粗糙度类别直接影响风压高度变化系数，从而影响风荷载标准值的计算，粗糙度类别的判定可参考GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》［15］的条文解释，周围2 km迎风半圆影响范围以内建筑物高度在6层以上时，可取为D类。以60 m高的高层住宅为例，B类地面粗糙度位置计算得出的风荷载标准值是D类位置的2.2倍。可见地面粗糙度对结构的影响是不容忽视的。

1.2.3 优化结构构造配筋

（1）剪力墙构造配筋

通过合理的剪力墙布置及墙肢长度取值，控制各墙肢轴压比，使剪力墙的配筋大多为构造配筋，其节点区主筋、箍筋以及墙段水平分布筋的配筋均按规范的最小配筋率配置。当组合墙肢，计算配筋量较大时，可采用PKPM结构软件中组合墙配筋计算程序进行补充设计，考虑翼缘的有利作用，为剪力墙提供更为合理的配筋。一般情况下能节省大约15%～40%的钢筋用量，而且使得钢筋在墙体中的布置效率更高［16］。

当为控制墙肢长度，墙肢端部离建筑洞口边缘距离较小时，剪力墙墙肢边缘宜加长至洞口边缘，虽然加长了墙肢，但避免了设置墙肢与填充墙拉结筋，同时取消了洞口两侧的填充墙，减小了施工难度，降低造价。对较短墙肢配筋时宜全截面按照边缘构件设计，取消水平及竖向墙体分布筋。

（2）梁构造配筋

对剪力墙平面外有梁连接时，梁跨度、截面高度不宜过大，当梁端改为铰接后，结构整体刚度，位移比等指标均满足规范要求时，宜设置梁端铰接，避免在此处设置较大的暗柱，增加墙体配筋，同时注意梁端纵筋的锚固要求应同计算假定相对应。由于在高层剪力墙结构中连梁、框架梁的内力及配筋随高度变化较大，应适当选择归并层数，归并时注意梁配筋的变化，达到节约钢材的目的。

对于剪力墙结构，框架梁的跨度一般都比较小，宜利用梁顶的角部部分钢筋全跨通长设置，不再另设架立筋，减少钢筋搭接和施工难度。对于同一轴线上相邻两跨梁的共用剪力墙支座，当作为支座的剪力墙墙肢顺梁方向长度小于两侧梁顶部纵筋的锚固长度之和时，梁顶纵筋直径宜相同，并合并为一根连续梁设计。

2 高层剪力墙住宅结构成本优化应用分析

2.1 工程概况

淄博市西城华府高层住宅，总建筑面积7485 m2。地下2层，地上17层，结构设计使用年限为50年，结构安全等级为2级。建筑的总高度为49.60 m。建筑结构抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10 g，设计地震分组为第三组。设计基本风压为0.40 kN／m2，风载体形系数取1.4，地面粗糙度类别为B类。

主体结构采用剪力墙结构，剪力墙抗震等级二级。工程设计初期，结构标准层剪力墙平面布置图如图1所示，剪力墙墙厚为200 mm。

2.2 结构成本优化

建设单位对设计进行初步概算后，要求对该工程结构方案进行成本优化，在不降低结构安全储备的情况下，实现对建材的合理利用，提高结构的经济性。工程为剪力墙结构，墙肢用钢量占总用钢量的比例最大。因此，重点对剪力墙结构布置进行了优化设计。

2.2.1 结构布置优化

将地面以上剪力墙墙厚由原200 mm均改为180 mm，从而在墙肢边缘构件钢筋配筋率不变前提下，有效减小了配筋面积；同时，取消了不必要的墙肢，并对墙肢长度进行优化。优化后标准层结构平面图如图1所示。剪力墙主要变化有:减少6轴线交D轴线、22轴线交D轴线位置剪力墙布置；并取消了8轴线交B轴线、20轴线交B轴位置不必要的剪力墙布置。在进行墙肢配筋图设计时，不随意增加配筋量，减少不必要的钢筋用量。

图1 优化前后结构标准层平面比较图／mm

2.2.2 结构计算优化

为准确模拟结构力学性能，对结构计算参数进行了细化。对连梁刚度折减系数、周期折减系数等计算参数进行了优化，见表1。

表1 优化前后结构计算参数对比

采用结构计算软件PKPM对两个结构方案进行建模，对优化前后结构模型的动力特性、位移变形等方面进行对比研究。结构振型周期计算结果对比见表2，层间位移角计算结果对比如图2所示。

图2 优化前后结构层间位移角对比图

表2 优化前后结构振型周期对比

从表2看出，优化后模型自振周期相对于优化前均要短，可知经过优化后的模型比原结构更柔。根据周期经验计算公式，二者的自振周期均处于合理区间。结构扭转为主的第1自振周期与结构平动为主的第1自振周期之比（工程为第3周期与第1周期之比），A级高度高层建筑不应大于0.9［10］。经计算可知，优化前模型此比值为0.87，优化后此比值为0.86。可以看出，二者均符合规范要求。

高度不大于150 m的剪力墙结构，楼层层间最大位移与层高之比不宜大于1／1000［10］。从图2中可以看出，优化前模型的最大层间位移角比规范要求的限制要小很多，结构刚度较大，没有充分的发挥结构的变形能力，设计偏于保守。优化后模型的计算结果与规范规定更接近，结构变形能力有较大提高，结构刚度更为合理。

结构刚度越大，地震反应越大［10］，从而导致上部结构中钢筋用量增大。由此可知，优化后模型在减少不必要的剪力墙结构构件后，剪力墙的配筋率也会因地震反应的减小而降低，从而有效减少了结构的钢筋用量。

2.2.3 钢筋用量结果分析

经对工程钢筋用量进行统计，工程优化前后钢筋用量见表3。

表3 用钢量统计／（kg·m-2）

从表3看出，剪力墙中钢筋用量减少了3.8 kg／m2。虽然梁配筋用量略有增大，但单位面积总钢筋用量仍减少了3.6 kg／m2。

3 结语

高层剪力墙结构住宅成本控制，能够大大减少建筑材料不合理浪费，对提高建筑结构经济性的具有明显的意义。高层剪力墙住宅结构的成本控制，要以结构方案合理、建筑材料力学性能充分发挥为原则，重点要优化剪力墙布置。剪力墙数量宜少不宜多，大开间布置剪力墙可使单位建筑面积的混凝土用量减少20%～30%，钢筋用量减少10%左右。进行结构整体计算时，要充分理解规范要求，确保结构模型能够准确模拟建筑物结构布置，避免因结构计算不准确导致结构不安全或造成不必要的材料浪费。进行施工图设计时，避免粗放式的施工图绘制习惯，对结构进行合理配筋。在确保高层剪力墙住宅结构安全的前提下，有效降低结构成本，提高经济效益。

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［2］ 马臣杰，张良平，范重.优化技术在深圳京基金融中心中的应用［J］.建筑结构，2009，39（增刊）:195-197.

［3］ 陆海燕，邢彤，鲍文博，等.某高层剪力墙结构筏板基础优化设计［J］.建筑结构，2014，44（17）:79-82.

［4］ 王巍，沈育新，肖伟，等.某剪力墙结构优化设计方法分析［J］.工程抗震与加固改造，2008，30（3）:58-59.

［5］ 王传甲，胡守营，陈志强，等.某高层框架剪力墙结构抗震优化设计及验证［J］.工程抗震与加固改造，2008，30（3）:58-59.

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［14］GB 50011—2010，建筑抗震设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2010.

［15］GB 50009—2012，建筑结构荷载规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2012.

［16］中国建筑科学研究院.PKPM多高层结构计算软件应用指南［M］.北京:中国建筑工业出版社，2010.

（学科责编：赵成龙）

Cost optim ization ofmeasures and application of high-rise residential building w ith shear wall structure

Yi Yongzhong，WeiWei
（Zibo Architecture Design and Research Institute，Zibo 255037，China）

Under the premise of the structure security，it has great significance to allocate limited resources to critical parts and reduce the structural cost.Based on the design experience of a large number of tall residential buildings with shear wall structures，the paper expounds the principle of structural costoptimization in the design of such buildings，and analyzes the factors affecting structural cost control，such as structure arrangement，structural calculation analysis，and structural reinforcement，and sets up the optimization measures for the structural cost of the high-rise shearing force wall.Taking an example of a tall residential building with shear wall structure in Zibo city of Shandong province，the paper elaborates optimization routine of the cost of the shear wall structure.The comparative analysis of the cost of the structure before and after optimization shows that under the premise of the safety of the tall residential building with shear wall structure，making full use of the mechanical properties of building materials，the structural cost is effectively reduced through the structural optimization design to reduce the waste of buildingmaterials and do their best.

tall residential buildingswith shear wall structures；cost control；structural arrangement

TU318

A

1673-7644（2017）03-0290-05

2017-05-02

伊永忠（1975-），男，高级工程师，学士，主要从事结构设计及施工图审查等方面的工作.E-mail:271831280＠qq.com