浅析高层住宅建筑的结构设计与成本优化

李 智

(厦门海晟房地产开发有限公司，福建 厦门 361000)

0 前 言

设计阶段是成本管理的关键阶段，设计阶段的造价是建安工程费用控制的关键，优秀的设计是项目盈利最基本的保障。设计阶段成本管理两大关键要求就是在设计任务书中要求限额设计，再组织设计结果评审进行成本验算。本文主要针对设计阶段中建筑结构施工图设计阶段，如何通过设计优化，从而达到控制成本的目的。

1 工程概况

1.1 建筑设计总体概况

某工程位于翔安大道与翔福路交叉口东南侧，总建筑面积58 000 m2，地上总建筑面积43 000 m2，地下室建筑面积15 000 m2，建筑层数为地上 1～33 层，地下 1 层。包括7栋单体建筑，1#、2#楼33层，总建筑高度97.8 m，底层公共架空，2层至顶层均为住宅； 3#楼32层总建筑高度94.9 m，底层公共架空，2层至顶层均为住宅；4#楼为1层的变电所；5#～7#楼地上为3栋4～6层多层住宅。

1.2 结构设计工程概况

结构设计使用年限为50年，建筑抗震设防类别为丙类，建筑结构安全等级为二级，所在地区的抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度0.15g，设计地震分组：第2组；场地类别：Ⅱ类；结构抗震等级：1#～3#楼抗震等级二级，4#～7#楼抗震等级三级。50年一遇的基本风压: 0.80 kN/m2，地面粗糙度:B类。上部结构体系：1#～3#楼为剪力墙结构，4#～7#楼为框架结构。

2 高层建筑结构设计

2.1 建筑结构设计的步骤

确认结构设计原始条件，进行结构选型和布置，手算、估算结构截面，确定上机计算各参数、各荷载，计算机建模计算，根据电算结果分析、判断，进行模型调整计算，合理后确定绘图各参数，绘制施工图，施工图检查调整，出图。

2.1.1 结构选型和布置

根据房屋适用高度和高宽比要求，本项目1#-3#楼建筑高度均在80～100 m，抗震设防烈度为7度，参考表1可选用框架-剪力墙结构和剪力墙结构两种结构体系。框架-剪力墙结构的特点是能获得较大的空间、房间布置灵活，但框架柱截面尺寸较大。剪力墙结构特点是室内没有外凸的柱角，方便家具的布置和分隔，有利于分户、防火、防盗、隔声，但空间灵活性较大。本工程为住宅项目，结合两种结构体系各自的特点，采用剪力墙结构体系更能符合功能性、适用性要求。

表1 A级高度钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度 单位：m

确定剪力墙的布置原则是剪力墙结构设计的关键第一步。剪力墙结构体系中，剪力墙除承受竖向荷载外，还要承受水平力的作用，抵抗水平力能力的大小由剪力墙结构的侧向刚度大小决定，而剪力墙布置的位置、长度、厚度决定了剪力墙结构的刚度和刚度分布。为得到较大的平面刚度和抗扭刚度，剪力墙结构中剪力墙要遵循 “周边、对称、成对、封闭”等布置原则。

2.1.2 估算结构截面

按规范要求，本工程高层建筑剪力墙厚度底部加强部位不应小于200 mm。结合设计经验，30层左右高层初选剪力墙截面厚度为200～350 mm，宜按300 mm厚进行估算。剪力墙的长度宜取8倍或8倍以上厚度，且不宜大于8 m，避免出现墙肢长度不大于墙厚的3倍的过短墙肢或过长的墙肢。同时考虑建筑门、窗洞口的位置初步确定剪力墙的长度。

2.1.3 电算结果分析、判断

通过PKPM或YJK电脑计算软件建立结构设计模型，布置构件，输入荷载和计算参数，进行结构计算得出结果。电算结果分析、判断目标主要参数如下：①轴压比，控制剪力墙在垂直重力荷载作用下的平均轴压比水平 为0.5左右，以保证经济性；②剪重比，主要为控制各楼层最小地震剪力，确保结构安全性；③刚度比和层间受剪承载力比，主要为控制结构竖向规则性，以免竖向刚度突变，形成薄弱层，确保结构安全性和设计的经济性；④周期比、位移比，主要为控制结构平面规则性，以避免产生过大的偏心而导致结构产生较大的扭转效应，减小扭转对结构产生的不利影响，剪力墙结构位移比控制在1/1000以内并尽量接近，确保设计经济性；⑤刚重比，主要为控制结构的稳定性，避免结构在风载或地震力的作用下整体失稳，确保结构的安全性。

2.1.4 绘制施工图

在施工图绘制阶段，按电算结果确定的构件截面、混凝土强度、配筋数据等信息，以规范和图集要求的制度标准，绘制出符合深度要求的结构施工图。在电算阶段主要是解决结构整体的安全性问题，施工图阶段主要是要考虑建筑构造要求，保证建筑结构的耐久性要求，同时，施工图应能满足现场施工的深度和细度要求。

2.2 剪力墙结构设计成本控制要点

2.2.1 重视概念设计

了解钢筋混凝土剪力墙结构整体性好，侧向刚度大，承载力大，但空间灵活性较差、结构自重较大的特性，发挥其所长，克服其所短，重视概念设计。从总体上合理布置剪力墙的位置，确定剪力墙的数量、剪力墙的长度、剪力墙的厚度，保证剪力墙结构刚度均匀和刚度适宜。

2.2.2 重视规则性

应重视其平面、立面和竖向剖面的规则性对抗震性能及经济合理性的影响，宜择优选用规则的形体，其抗侧力构件的平面布置宜规则对称、侧向刚度沿竖向宜均匀变化、竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减小、避免侧向刚度和承载力突变。高层建筑结构应控制建筑的高宽比、长宽比、立面的凹凸、楼板开洞、竖向构件不连续等指标。

2.2.3 重视结构层高

结构侧移已成为高层建筑结构设计的关键因素。随着建筑高度增加，水平荷载作用下结构侧向变形迅速增大，结构侧移与高度呈四次方关系上升。在高层建筑结构设计中，不仅要求结构具有足够的强度，而且要求具有足够的抗侧移刚度，以保证结构的侧向变形。控制层高，可降低水平力的作用，减少抗侧移构件面积，进而降低成本。据经验，层高每增加10 cm，土建建造成本增加2%～5%。

2.2.4 重视荷载

1)从荷载组合上，把握好地下室顶板覆土厚度和顶板消防车荷载、施工活荷载的控制，应考虑覆土层扩散作用对消防车荷载的折减，覆土荷载和施工活荷载不同时组合。

2)从材料选择上，内、外隔墙尽量选用轻质材料，减小竖向作用荷载。

2.2.5 重视电算参数

合理考虑周期折减系数、双向地震扭转效应、偶然偏心、斜交抗侧力构件方向的附加地震作用等电算参数。周期折减系数的取值直接影响到剪力墙的配筋，盲目折减，造成刚度过大，吸收的地震作用也增大，导致剪力墙配筋增大。考虑双向地震作用后结构配筋一般增加5%～8%，单构件最大可能增加1倍左右。控制位移比不超标是是否考虑双向地震作用的关键。考虑偶然偏心后结构墙及梁用钢量将增加3%左右。考虑多方向地震对构件配筋平均增加5%左右。

3 剪力墙结构设计优化

3.1 剪力墙布置位置的优化

7度区高层住宅剪力墙结构，标准层单位面积含钢量中，剪力墙墙身用钢量约占45%～65%，剪力墙边缘构件用钢量约占30%～50%。在结构设计中，应特别注意剪力墙的布置，减少不必要的暗柱布置，具体可采取如下措施：强周边、弱中部；多均匀长墙、少短墙；多L形、T形、十字形墙肢、少复杂形状；沿高度均匀变化；各墙肢轴压比接近。

3.2 剪力墙数量、长度及厚度的优化

1)剪力墙的布置数量可利用层间位移角指标来控制，纯剪结构的层间位移角尽可能接近限值1/1000，使结构体系刚度适宜，剪力墙的布置数量合理。

2)剪力墙长度除尽量避免出现短肢剪力墙外，还应限制墙肢的轴压比，控制在0.5左右为宜。

3)剪力墙厚度在满足墙体稳定性验算、剪力墙轴压比限值等要求外，宜按规范要求的最小剪力墙厚度取整50 mm进行设计。

3.3 其他设计优化

1)剪力墙混凝土强度，宜沿楼层从下到上逐渐降低，100 m以内高层，低层不宜超C45，上部楼层以C30为宜，顶部可降低到C25。

2)暗梁布置，纯剪力墙结构在楼层处不必设置暗梁。

3)梁板布置时，梁的经济跨度一般为3.0～5.0m之间，楼板厚度一般按挠度、裂缝及板内设备穿管的最低要求取值。

4)剪力墙配筋时，要严格区分底部加强部位和非加强部位，对墙段竖向分布筋等通常不由内力控制的钢筋，仅需按最小配筋率配制，不须提高其配筋量。

3.4 本项目高层住宅优化简述

1)内部隔墙厚度优化，部分墙体厚度由200厚改成100 mm厚，减少材料费用，同时，减低结构荷载。

2)剪力墙厚度优化，Y向布置剪力墙其中1、4、6、8、10、13、15、18轴29层至33层墙体厚度由250 mm改成200 mm，X向布置剪力墙其中D、E轴2层至33层墙体厚度由250 mm改成200 mm。

3)次梁架立筋配筋优化，将次梁的原设计架立筋由2C12修改为2C10；未设计架立筋的，将通长钢筋改成2C 10架立筋。

4)约束边缘构件配筋优化，将墙肢轴压比小于0.4的约束边缘构件箍筋由C 10@100改成C 8@100。

5)外墙装饰线条节点大样优化。

6)通过采取上述建筑结构设计优化措施，节约建安成本约30万元。

4 结 语

工程项目设计阶段，在满足安全性、耐久性的前提下，对结构设计的优化，有利于实现建筑结构设计的经济性。作为设计人员和设计管理人员都应该对此高度重度，并在工程实践中运用结构设计优化的方法，将技术和经济有机结合，以提高项目的投资效益。

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