建筑结构设计优化的研究与应用

靳金堂

上海析越建筑设计咨询有限公司 上海 201812

正文：

1 引言

房地产开发项目中，设计在整个建设项目中成本占比很小，约1%～3%，但却影响着整个项目总投资70%～90%的成本。在设计阶段对项目进行优化控制，在不降低建筑功能和品质、不降低结构安全性的前提下，一般建筑结构优化可以降低20%～30%的工程造价，对项目的成本控制有重要意义。

2 嵌固端的选取和地下结构抗震等级优化

上部结构计算嵌固端位置的选取，对经济指标的控制有重要影响，且关系到地下室抗震等级的确定，由规范[1]，当选取地下室顶板作为上部结构的嵌固端时，地下一层以下相关范围的抗震构造措施的抗震等级可逐层降低一级，但不低于四级。一般地，对于带多层地下室的高层，嵌固部位取在地下室顶板是较为经济的选择；对于带一层地下室的高层，嵌固位置宜优先选取在基础顶，即地下室底板。

笔者在审查西安8度抗震设防区某住宅项目时发现，此项目中10栋住宅项目地上34层，地下2层，负一层、负二层均为机动车库，结构计算嵌固端取为地下室底板，但250mm厚（局部300mm厚）的地下室顶板，双层双向通长筋仍按0.25%的配筋率配置。地上主楼抗震等级一级，地下室顶板和负一层“相关范围”抗震等级随主楼，受相关范围为主楼外延三跨或20m的影响，整个小区的相关范围几乎占据了整个地下室，相关范围内抗震等级随主楼，抗震构造等级均为一级。地下车库为长短跨柱网（8.0m×（5.8m+6.6m+5.8m）），原设计负一层X向和Y向梁截面均为400x550，地下室顶板梁长度8m跨方向梁截面500x700，长短跨方向梁截面500x600，造成地下室顶板和负一层梁箍筋按一级抗震构造等级要求设置，四肢箍筋且直径不小于 10，最小配置10@100/200（4），比计算值较为富余，尤其地下一层梁箍筋配置富余较多，造成工程成本的巨大浪费。究其原因，一是计算嵌固端的选取不合理，二是梁截面或负二层楼盖形式选取不经济。

最终，笔者的优化意见为：①改选地下室顶板为上部结构计算嵌固端，这样，地下二层的抗震构造等级可降低为二级，且地下二层剪力墙边缘构件可不设置约束边缘构件。②优化地下室顶板梁截面：8.0m跨梁截面500×700建议优化400×700；长短跨方向梁截面500×600建议优化300×700，四肢箍优化成两肢箍；③地下一层由于荷载较小，建议采用无梁楼盖形式，且负二层层高可压缩200mm。最终，结构设计优化取得了可观的经济效益。

3 剪力墙结构布置优化

剪力墙结构在住宅项目中应用广泛，剪力墙混凝土和钢筋用量在项目总成本中占比较大，合理布置剪力墙及确定墙肢长度是剪力墙结构设计优化的重点。

剪力墙的平面布置应遵循“均匀、对称、周边、分散”的原则，竖向应上下刚度连续、均匀，在保证侧向刚度和承载力基础上，应采取措施优化剪力墙数量和厚度。一般可从如下方面优化控制：

（1）控制位移比。规范[2]规定钢筋混凝土剪力墙结构弹性层间位移角限值为1/1000，工程中Y向层间位移可优化控制在1/1000～1/1200。抗震承载力计算时，框架-剪力墙、剪力墙结构中的连梁刚度可予以折减，但计算位移及位移比时，连梁刚度可不折减。

（2）控制剪力墙墙率。住宅建筑中，剪力墙布置应经济、合理，墙率宜满足：

26～33层：7度小于6%～6.5%、6度小于5.5%～6%；

18～25层：7度小于5.5%～6%、6度小于5%～5.5%；

12～17层：7度小5%～5.5%、6度小于4.5%～5%。

（3）变截面设计优化。剪力墙应进行结构截面的合理优化，在满足施工条件前提下，应自下而上进行变截面设计。

剪力墙结构，除墙体稳定性计算需要及构造加强外，还应严格控制墙体厚度，一般地，100m高度以内的高层住宅，剪力墙最厚不宜大于250mm厚；80m以内的高层住宅，剪力墙最厚不宜大于200mm：60m以内的高层住宅，剪力墙厚度不宜大于180mm；多层住宅剪力墙厚可采用180mm厚。

（4）混凝土强度等级应分区段逐级递减，最低强度等级不应大于C30；混凝土强度应根据墙厚和轴压比限值综合选用。

“北接松径，南通峦雉，东以达虎角庵。游者之屦常满，然而素桷茅榱，了不异人意。”[3]426此亭构造简朴，一点也不吸引游者的眼球。然而登亭眺望，胜景扑面而来，使人油然而生山水鱼鸟之情。

4 山地建筑结构优化

山地建筑优化应注重方案阶段的优化，侧重分析充分利用现状地形进行场地设计，尽可能依山就势，减少土方开挖和回填量，并关注支挡结构的优化。

笔者参与的某山地建筑低层住宅区项目，典型楼栋12#～15#楼优化前的剖面如图1所示，前排建筑有10米左右的高填方，形成约20米的分级高边坡，其中庭院挡墙高度8m，工程造价较大。

优化方式：将庭院挡墙后移至前排建筑后方（距离地下室外墙2米），将前排需要高填方的建筑下部采用架空方式，减小了前排边坡支护高度，避免高边坡，优化后的结构方案如图2所示，由此庭院挡墙高度由8米降低为4.2米，大幅降低了支挡结构的工程造价，且住宅下方架空区可增设4米高拓展空间，可最大化减少土方回填量，另一方面，105平方米的拓展空间也增加了销售卖点，产生了溢价空间。每栋低层住宅的挡墙长度约14米，仅考虑支挡结构和填方费用，优化前每栋楼总造价约100万元，优化后总造价约56万元，仅支挡结构和填方费用，每栋楼造价优化减少约44万元，另外，架空层另需工程造价约12.5万元。综合考虑，不计由于增加拓展空间产生的产品溢价，每栋节约造价31.5万元，经济效益显著。

图2 优化后剖面图

5 地基基础设计优化

地基基础占整个开发项目周期的25%左右，造价在项目总造价成本中占比约10%～25%，因此地基基础的设计优化意义重大。而地基基础的设计与造价与地质情况密切相关，而地质条件复杂多样，应重点优化，控制成本。

地基基础设计优化，应根据地勘报告、结构型式和结构荷载，合理选择成本低、工期短、风险低的地基基础型式，依次优先采用天然地基、复合地基、减沉复合疏桩基、预应力管桩或预应力空心方桩、预制方桩、钻（冲）孔灌注桩。别墅项目，承载力较小，地质条件允许时，也可采用载体桩或内夯沉管灌注桩，较预应力管桩可减少约1/3的造价。基础优化还应关注不同地区的经验做法，如西安、青岛地区习惯采用CFG桩复合地基，根据不同地质条件，CFG桩复合地基的承载力特征值可达到150kPa～500kPa，适用性较大且经济性较好。

笔者审查的常德某项目有12栋高层住宅，其中25～27层住宅6栋、32层住宅6栋。拟建场地高层基底下圆砾④层承载力特征值fak为500kN，且以下土层良好（也均为圆砾层），基础形式可采用天然筏板基础，以圆砾④层作为持力层，但筏板下存在0.6m～2.75m不等的③层粉质黏土层（fak为160kN），且详勘中表述③层普遍分布，呈可塑状态，压缩性高，强度低，工程力学性能较差，不能作为拟建建筑物的基础持力层。因此，需要一定地基处理。

因拟建场地的④圆砾层有一定起伏，仅8#和12#楼筏板直接落在④层圆砾层，采用了天然筏板基础，其他10栋楼底板下均分布有0.6m～2.75m厚度不等的③层粉质黏土层，原设计均采用直径600mm的满堂长螺旋钻孔灌注桩，有效桩长11m～13m，经济性较差，且灌注桩基础施工周期较长。通过经济性分析，超开挖深度不大于2.4m的楼栋采用天然筏板基础（降底板标高至圆砾④层，内部回填素土设刚性地坪，回填深度较大时可采用架空层）的方案更为经济。

而本项目仅有三栋楼基底下③层粉质黏土层的厚度超过2m，分别为5#楼（2.2m）、9#楼（2.75m）、10#楼（2.3m），而仅有9#楼（27层）平均超开挖深大于2.4m，采用灌注桩基础较为经济，其他楼栋均采用天然筏板基础最为经济。经成本分析，其中9栋楼的桩基础优化为天然筏板基础后，仅基础单项造价成本节省240万元，而且为项目建设缩短了工期。

地下车库基础方案的优化，当地基土承载力较高(fak≥200kPa)且底板下水头较小(≤20kN/m2)时，地下车库基础采用独立基础+防水板形式较为经济，防水板厚度根据水头大小可选取250mm、300mm厚，独基与防水板之间直坡连接。当地基土承载力较低(60 kPa≤fak＜200 kPa)时，地下车库基础采用带柱墩的平板式筏板基础经济性更好。柱墩一般采用下柱墩形式，当底板上部需要设置较厚垫层时，尽可能采用上柱墩形式。柱墩与平板间采用60度加腋过渡处理。

当拟建场地内存在不均匀的较厚杂填土、鱼塘、明暗浜等不良地质时，多层地库的负二层宜设置在此区域，而高层建筑宜避开此区域，以减小地基处理难度和降低基础造价。

笔者审查的西安某住宅一期项目，由5栋地上33层、地下1层的高层商住楼，16栋地上9～11层、地下1层的小高层住宅，以及1层地库（局部2层）组成。拟建场地北侧和西侧区域地面下分布有大厚度（15m～27m）杂填土层，分布不均匀，原为大型取砂坑，后经人工回填，该区域内中细砂③层和中砂④层局部缺失。高层基底下杂填土厚度也达15m～22m，对地基处理难度影响很大。

本项目方案设计阶段未考虑此不良地质的影响，5栋高层商住楼均布置在此大厚度杂填土区域，且局部两层地下室也未设置在此大厚度填土区，地基处理极为不利，且工程造价较高，大幅增加了基础处理费用和处理难度，原设计对1#～5#高层商住楼，采用孔内深层强夯SDDC工法处理杂填土+后插筋长螺旋钻孔灌注桩基础，桩径600mm，桩长33米。

考虑到本项目的项目定位和产品组合情况已定性且难以调整，而局部2层地下室位置影响较小，可调性较大，笔者在地基基础选型审查时建议：建议将局部两层地下室移动至1#～5#高层商住楼、6#～8#洋房下的大厚度杂填土区，可减小地基处理深度，减小桩长，减小工程造价。对1#～5#高层商住楼，后插筋长螺旋钻孔灌注桩基础，每根桩长可优化减少约3.5m，节省工程项目成本。

6 结论

综上所述，设计优化技术可通过降低造价成本，提升产品品质，并产生溢价空间，创造真实价值，设计优化并不以牺牲建筑功能和品质、降低结构安全度为代价，是降本、提质与增效的统一。工程设计和优化过程中应提高成本意识和优化意识，从荷载、材料、计算、地勘、结构、构件、构造等多方面、多层次、全过程开展，其中，由于方案设计影响项目造价成本的可能性为75%～95%，因此结构专业应提前介入，注重方案设计的概念优化，综合考虑各方面因素，满足建筑功能及品质要求，科学合理地降本提质增效。