高层住宅剪力墙结构设计优化与建筑空间要求的设计探讨

丁 萍

广东南粤珑图建筑设计有限公司，广东佛山 528000

建筑结构设计日趋复杂化，故在此设计过程中，需不断优化。在优化方面，目前，我国加大了研究力度，并取得了一定成效。然而，到目前为止仍没有一个成熟的数学模型，既可以满足结构设计规范要求，又能使结构最优化，普遍认为，当结构构件的内力达到最大承载力时，其结构是最优的。在现实设计中要达到这个要求，需要设计者以结构构件为目标，对结构构件进行优化设计，使得结构设计最优化。在优化过程中，结构专业

图1 住宅优化前的平面图

2 结构设计中存在的问题分析

根据 GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》（2016年版）规定，在图1中，l/Bmax=7000/住宅优化前的平面图尺寸19900=0.352，由于大于0.35，因此可以判断平面属于凹凸不规则类型。另外，经过初步计算得知，在满足墙肢加长的条件下，首层墙体的厚度拟取400mm，也难以满足侧向刚度比的要求，由此也可以判断竖向为侧向刚度不规则类型。由此可见，本工程有两项不能满足规则性的要求，应按照《建筑抗震设计规范》GB 50011—2010（2016年版）中的规定，需要对水平地震作用下的内力进行调整，并对薄弱部位采取加强措施。笔者认为，若不能合理优化平面形状，盲目采取一些加强措施，必然会造成不必要的经济损失。由于在建筑平面增加部分楼板，而这些楼板对建筑物的使用功能影响较小，通过共同协商，决定对其进行优化，优化后的住宅平面见图2。

对图1的剪力墙布置进行分析得知，核心筒位置的墙体布置须早期介入建筑专业进行沟通协调，从而使优化的结构同时满足建筑空间要求。

1 工程概况

某商住楼位于佛山市南庄镇，总建筑面积5.4万m2。由局部一层商铺，3栋独立高层住宅，地下一层停车库组成。首层局部商铺建筑面积653m2，层高9.0m；1～3座主体高层住宅28层，高85.70m，层高2.9m，建筑面积为41905m2；地下一层停车库建筑面积为9785m2。主体沿竖向质量及刚度分布较均匀，住宅标准层一梯6户，中部为楼梯间、电梯间、设备管道井组成垂直系统单元，其周边东、西向各一户单元，南北向各两户单元，形成两梯6户。平面体型规整。

本工程采用框架剪力墙结构，抗震设防烈度为7度，基本分压值0.5kN/m2。

图2 住宅优化后的平面图

结构嵌固端选取于地下室顶板处。住宅优化前的平面见图1。住宅优化后的平面图见图2。数量较多，刚度较大。通过建模和计算，得出Y-5%震偶然偏心作用下Y方向位移角的比值和最大层间位移角，以及X，Y方向最大层间位移角，其计算数据见表1。

表1 结构侧移表

根据表1中分析，住宅结构平面中核心筒处的剪力墙数量有削减现象。对结构中部的刚度有一定的削弱作用，这样不仅有利于对结构扭转效应进行控制，而且可以大大降低工程造价。假如所有墙体的厚度为200mm，如果对核心筒处的部分墙体进行削减，将会大幅度地减少混凝土用量及对原有墙体钢筋进行扣除，其具有一定的经济性。除此之外，由于本住宅楼为高层建筑，核心筒以外为墙肢，这样可以缩短其长度，如每隔5～7层可以缩短一次，但值得注意的是，要对结构位移比、轴压比等进行严格检查，看是否满足规范要求，同时要确保墙肢长度应不小于墙体厚度的8倍，以避免墙体变成短肢剪力墙。

3 优化措施

3.1 形状优化

根据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》（2016年版）中的规定：在高层建筑结构单元内，需要确保结构平面形状的简单化和规则化，刚度分布要均匀，平面不宜过长，突出部分长度不宜过大，见表2；同时，要确保建筑的竖向体型的均匀性，避免外挑和内收过大，结构的侧向刚度要平衡，变化要均匀，尽量避免采用竖向布置不规则的结构。例如，如果高层建筑的结构平面布置和竖向布置较均匀且规则，其各项指标的校核验算也容易达到规范的要求，反之，各项指标难以达到规范要求。还可能造成墙柱截面过大，建筑重量严重超标，从而增加了工程造价，影响建筑的使用。通过在建筑方案阶段，结构专业的早期介入，从建筑的平面方案开始结构专业提出建议，在满足户型配比要求的前提下，平面从不对称形式优化为对称形式，结构柱尽量调整为异形剪力墙，使空间墙体平整，在结构优化的同时又满足了建筑空间使用的要求。

表2 突出部分长度的限值

另外，结构设计人员一定要重视概念设计，要确保概念设计在建筑方案设计阶段介入，并结合建筑结构的特点，在满足适用、美观的情况下，合理布置建筑结构的平面和竖向，在进行平面和竖向布置时，要尽量以“简单、规则、均匀”为原则。以此思想指导设计是合理的刚度和承载力体系，尽量避免由于局部削弱而造成薄弱部位的结构体系。这样有利于不断优化施工图设计阶段的截面尺寸。

3.2 剪力墙平面布置

在布置剪力墙平面时，应注意以下几点：第一，在住宅结构平面布置过程中，不仅要满足建筑的使用功能，而且要沿周边均匀布置剪力墙。剪力墙的布置要位于建筑物的电梯间、楼梯间、平面形状变化较大的部位，且确保剪力墙之间的距离不能过大；第二，在剪力墙结构布置中，需要沿主轴方向进行布置，对于抗震设计的剪力墙结构，尽量避免采用单向的布置形式；第三，在剪力墙布置时，要确保墙肢截面简单化、规则化，结构的侧向刚度不宜过大；第四，在结构设计中，应尽量减少短肢剪力墙的数量，不能全部使用短肢剪力墙结构。

4 结语

以上案例，针对高层住宅建筑剪力墙结构的优化设计分析中，可知，住宅建筑剪力墙结构优化设计的核心，主要体现在结构整体与局部的关联，因此，结构设计人员不仅要从建筑结构的整体考虑，同时需结合局部，做好结构整体和局部的协调关系，方案初期，与建筑专业密切沟通，在保证安全、经济、合理的前提下，尽量满足建筑空间要求，以上分析探讨，仅供同行参考。