高层LOFT公寓结构优化设计实例分析

辛晓鹏 张媛媛

【摘要】本文通过对一高层LOFT公寓的结构体系、地基基础和地下室楼盖进行结构方案的对比分析，探讨此类结构的优化设计方法 ，为此类公寓结构的优化设计提供一定的参考。

【关键词】 结构体系;加腋板;基础优化

建筑行业竞争日益激烈，如何在保证建筑结构安全、功能合理的前提下，最大限度的为开发商节约投资成本，这就需要对建筑结构设计进行优化及分析探讨。

建筑结构设计的前期方案会直接影响建筑项目的总成本，而结构优化往往在建筑前期并不参与其中，以致前期方案不注意结构的合理性和可行性，增加了结构设计的难度。为此，设计人员应在建筑前期进行结构体系、地基基础等结构方案的优化设计，使其能更好地满足建筑功能需要及使用舒适度的要求，有效的节约投资成本。

1、工程实例

本工程为郑州航空港区一个高层LOFT公寓项目，地上16层，层高5.09m，建筑高度76.65m。标准层典型房间4.2X8.4m，建筑平面布局回字形，平面布置较规则。地下两层，负一层层高3.5m，覆土1.5m，负二层层高3.3m。地下水位较浅，为地面下2.5m。

2、结构体系优化

根据建筑平面布局及功能需要，本工程建筑初步方案阶段采用框架-剪力墙结构体系。设计后期，拟对结构体系进行优化，对框架-剪力墙和剪力墙结构体系这两种方案进行试算对比。

本项目采用YJK计算软件对两种方案计算分析，根据计算结果可知，两种方案的位移均宜控制，而周期比差别较大。框架-剪力墙结构最大周期比为0.92，剪力墙结构最大周期比0.81，而《高规》规定周期比不得大于0.9。由于本工程特点为内部核心筒剪力墙在建筑平面中居中，外围框架梁由于夹层采光需要不能做高，如采用外围框架体系抗扭刚度较小，周期比难以控制。采用T形截面剪力墙能有效增大结构的整体抗扭刚度，周期比较宜控制。同时，设计T形截面剪力墙时，注意控制墙翼缘长度，不能影响地下室停车位，可以采用加厚墙体厚度的方法来控制轴压比。由于LOFT公寓带夹层，总荷载较大，如采用框架柱底部几层柱截面较大，对公寓空间使用有一定影响，而采用T形剪力墙底部墙厚300mm即可满足要求，能得到更舒适的使用空间。可见，从结构计算及建筑使用功能上讲，本工程采用剪力墙结构体系为更优的方案。

3、夹层荷载优化

本工程Loft公寓夹层部分考虑防火、净高、荷载等因素，考虑采用三种方案。

方案一：在公寓夹层处增设混凝土圈梁，夹层拟采用H型钢，其高度为150mm，翼缘宽度为75mm，上铺60mm厚的钢筋混凝土预制板。该方案施工方便，舒适度较好，但夹层厚度完成后超过250mm，净高有一定影响。

方案二：在公寓夹层处增设混凝土圈梁，待主体结构封顶后再植筋浇筑100mm厚的钢筋混凝土板作为公寓夹层楼板。该方案结构自重大，结构模型计算复杂，且需现场搅拌混凝土，不利于后期改造施工。

方案三：在公寓夹层处增设混凝土圈梁，夹层拟采用H型钢做主次梁，内部采用角钢，在H型钢及角钢上方铺设20mm厚的加筋水泥纤维压力板，该方案能够控制夹层厚度，梁下净高较大，且荷载较小，能有效减小墙柱截面，后期改造施工方便。

综合考虑防火、净高、荷载等因素，夹层优选采用钢龙骨+水泥纤维压力板做法，结构计算考虑恒荷载1.0kN/m2。

4、地基基础优化

本工程由于均为LOFT公寓，层高较大，荷载较大，采用筏板基础较为合适，能更好满足冲切及地基承载力的要求，初步设计时采用地基基础布置方案一（图3）。本工程特点为剪力墙布置间距较大，传给筏板的荷载分布不均匀，接近条状分布。根据荷载条形分布的特点，及桩宜直接布置墙下传力直接且减小筏板配筋的原则，对筏板基础及CFG桩进行优化设计。筏板开洞优化后为地基基础布置方案二，由图4可知，筏板接近条形基础，能满足承载力及冲切要求，同时由于基础受基底反力面积减小，墙边基底反了产生的弯矩变小，能减小筏板受弯钢筋。可见，方案二能有效减小了筏板基础面积及桩的个数，减小耗钢量及混凝土用量的同时使筏板受力更均匀更合理，是更优的方案。

5、地下室楼盖优化

本项目为两层地下室，且根据地质报告资料可知地下水位较浅，考虑到减少土方开挖量和基坑支护费用，不采用降水方案等因素，应采用减小梁截面高度和地下室层高的结构方案，拟采用密肋空心楼盖和加腋大板這两种有效减小梁高的方案，梁高均采用600mm。加腋大板板中间部位板厚250mm，板跨边加腋至500mm。密肋空心楼盖板厚130mm，肋高600mm。

采用有限元软件YJK盈建科建立加腋大板模型。由于加腋板厚度较高，为500mm，计算梁时可考虑板的面外刚度对梁变形的有利影响，因此宜考虑梁板的共同变形作用。楼板按弹性板6参与整体计算，板元细分长度1m，弹性板荷载导算采用有限元导荷，考虑梁与弹性板变形协调整体计算配筋。

根据计算结果可知，梁跨中存在轴拉力，为拉弯受力，梁端处存在轴压力，为压弯受力。由于计算梁内力时，考虑了板面外刚度的有利贡献，其弯矩及变形比常规的梁板计算要小很多，但是在梁配筋时要考虑轴力对配筋的影响。

采用YJK盈建科有限元软件对加腋大板楼盖和密肋空心楼盖进行计算分析对比。这两种楼盖均采用弹性板6进行有限元分析。取典型跨8.1x8.1m，在相同荷载下，恒载27 kN/m2（覆土1.5m），活载16kN/m2（考虑消防车荷载）的计算模型进行计算对比分析。对于加腋大板方案，由于板弯矩及轴力分布差别很大，板有限元配筋结果分布不均匀，为了达到经济且受力合理的目的，本工程采用板带式分块配筋，局部配筋见施工图5。密肋空心楼盖也采用无梁楼盖板带式分块配筋。通过绘制施工图并统计每平方钢筋用量和混凝土用量见表1。

由统计结果可知，加腋大板考虑梁板共同作用且按有限元结果板带式分块配筋时，与密肋楼盖体系相比，其耗钢量较小，混凝土用量与密肋楼盖相差不大。而考虑到密肋楼盖体系顶板较薄，防水性能稍差，且模壳较贵，综合造价比较高，且模壳有年久损坏掉落的缺点。而加腋大板体系，楼板较厚，考虑梁板共同变形作用及拱的有利作用，受力更加合理。可见，合理配筋的加腋大板楼盖体系为更优方案。

结论：

（1）高层LOFT公寓开间较大且规则时，结构体系可采用剪力墙结构，能有效增大结构抗扭刚度，控制周期比。且基础宜采用条形筏板基础优化设计，使筏板更经济受力更合理。

（2）加腋大板楼盖在考虑梁板共同变形作用，且考虑加腋板的拱有利作用时，能有效减小梁高。同时，如果按有限元结果板带式配筋时，是一种更加经济合理的地下室楼盖体系。

（3）综合考虑防火、净高、荷载等因素，夹层采用钢龙骨+水泥纤维压力板做法，能有效减小夹层荷载，有效控制墙柱截面及基础厚度。

参考文献：

[1]JGJ3-2010高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[2]GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].

[3]彭丽红，张元坤，彭勃.加腋整间大板结构的设计及应用[J].广东土木与建筑，建筑结构，2008（7）.

作者简介：

辛晓鹏，郑州市建筑设计院，河南郑州;

张媛媛，中赟国际工程股份有限公司，河南郑州。