浅析住宅结构设计要点及模型整体指标调试措施

许振广 潘柏兆

（广东省建筑设计研究院有限公司，广东 广州 510010）

近年来，由于房地产市场深度萎缩，开发商越来越注重工程经济性，要求设计单位在保证结构安全的前提下进行限额设计。故而前期可通过调整结构方案使结构的整体造价降低，后期再调整结构模型使各项指标刚好满足规范的最基本要求，从而达到安全性和经济性。这种调整过程，目前技术水平还没有形成定型的算法，只能根据经验定性调整。本文根据多项实际工程项目经验，简要阐述了住宅结构设计要点以及电算模型的整体指标调试措施。

1 住宅结构设计要点

1.1 剪力墙布置原则

在住宅结构设计中，考虑到实用性和美观性，住宅一般采用剪力墙结构。而在剪力墙结构中，剪力墙不仅是整个结构材料用量的核心，其布置是否合理更加影响结构经济性及力学性能。剪力墙布置宜简单规则、均匀对称、强周边弱中部，尽量在建筑凸角和楼电梯处设墙，优先采用带翼缘普通墙，少用一字墙和短肢墙，避免出现个别长度大于8m的单片剪力墙。同一方向的墙肢宜对齐布置，通过拉梁形成联肢剪力墙，可以提高结构的整体刚度[1]。

1.2 梁板布置原则

梁尽量设成连续梁形式，可以改善受力状态，降低梁高，传力直接。梁端尽量放在墙柱上，梁端部的墙尽量有出翼，以保证梁纵筋有足够锚固长度。外围周边梁高宜按建筑墙身大样做满，以提高抗扭刚度，但飘窗处梁过高可能会导致梁端部的翼缘墙肢计算配筋过大，此时飘窗处不全做梁，可做成梁上反坎形式。

室内尽量不露梁以满足美观要求，为此，梁应设在有砌体墙处。不露梁优先级：客厅＞餐厅＞主卧＞次卧＞过道＞厨房＞卫生间，甚至有时不设梁，直接将砌体墙放在板上，如客厅和餐厅之间、厨房墙等处。不得已露梁处的梁高尽量控制500mm以下。

梁布置尽量将板划分均匀，板跨3m～4m为宜，室内板厚一般取100mm。核心筒处往往有管井，楼板内水平管线较多，宜加厚楼板以适应这种需求。而且楼电梯间开洞削弱了核心筒楼板刚度，根据JGJ 3-2010（高层建筑混凝土结构技术规程）（以下简称《高规》）[2]第3.4.8 条规定，宜采取加厚楼板的加强措施。还有《高规》第3.4.6条规定，楼板在某方向的最小净宽度不宜少于5m，若核心筒室内楼板不满足，可在室外加飘檐以满足要求。

1.3 构件优化设计建议

混凝土和钢筋强度等级的选用也会影响结构经济性。混凝土具有很强的抗压性能，是竖向构件轴压比调整的主要选择，非必要不采用加大截面方式调整轴压比，较为浪费材料。钢筋建议采用高强度等级，性价比较高，如HRB400 螺纹钢对比HPB300 圆钢，虽然价格贵5%左右，但强度提高了33%。

剪力墙是住宅结构材料用量的核心，仅钢筋用量就占整个结构55%左右，故配筋精细化是很有必要的。①建议底部加强区剪力墙尽量提高混凝土强度等级或加大截面以减小轴压比，只设构造边缘构件而不设约束边缘构件，两者差异仅箍筋用量就相差50%左右；②带翼缘剪力墙实际为组合墙，应在软件参数里勾选墙柱配筋设计考虑翼缘墙；有设置带边框柱剪力墙时，还应勾选墙柱配筋设计考虑端柱。若不勾选，软件只会对每一片墙肢按照矩形截面单独计算，不考虑翼缘墙作用，既不符合GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》（以下简称《抗规》）[3]第6.2.13条规定，也不经济；③约束边缘构件配筋以刚满足规范限值即可，建议采用大小直径钢筋组合方式。箍筋还可采用高强度等级，以减小体积配箍率，也可考虑墙身水平分布筋替换外箍作用。

梁板属于受弯构件，混凝土强度对构件承载力影响不大，一般取C30即可，因为根据GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》第8.2.1条规定，不大于C25的构件保护层厚度需加大5mm，即减小了受弯构件的有效高度，导致配筋变大。梁板还可通过控制配筋率达到经济性目的，梁的配筋率可取0.8%～1.5%，板的配筋率可取0.5%～1.0%较为经济[4]。考虑到近几年钢材价格增加较多，而混凝土价格变化不大，配筋率取低值更为合适。

梁配筋时，跨度＞3m时，梁面筋可采用大小直径搭接拉通；跨度≤3m 时，梁直接采用支座面筋拉通，方便施工。梁底筋可以采用部分不伸入支座的做法节省材料，注意梁端需满足规范要求的底部与顶部钢筋比值。

板配筋一般采用分离式，以下情况面筋需拉通：①厚度大于150mm的板；②温度变化敏感的外露板，如屋面、阳台和露台；③防水要求高的板，如厨房和卫生间；④受力复杂的板，如核心筒楼板、放置或悬挂重型设备的板（电梯机房等）；⑤位于较大洞口或者错层部位边；⑥2m～3m短跨板；⑦悬挑板。此外，个别部位需加强配筋，如角板有竖向构件的阴阳角处、异形板阴阳角、砌体墙下无梁时。

2 电算模型整体指标调试措施

随着计算机技术的迅速发展，相关结构计算软件已经在建筑领域得到了广泛的应用。目前，国内主流的建筑结构计算软件有PKPM、YJK 和3D3S，PKPM 和YJK主要用于钢筋混凝土结构，3D3S主要用于钢结构。这三款软件都根据我国相关规范要求内置了大量参数，而且上手简单、计算高效、结果判断方便。

住宅结构上机建模时，前期方案阶段可以只建标准层，试算结构各项指标是否满足规范要求，一般需要调试的整体指标包括：位移角、位移比、周期比、刚度比、受剪承载力比、剪重比、刚重比、轴压比。这八大指标均可由软件计算得出，并且会标明指标要求出处，本文不再赘述。当不满足规范要求时，软件还会标红字体提醒设计师。计算结果不显红虽然满足规范要求，但不一定经济，需要设计师根据规范调试计算模型，直至各项指标尽量贴近规范限值以满足经济性，这过程是比较花时间的，笔者根据多年设计经验总结了各项指标的调试方法。

2.1 位移角、位移比和周期比调试措施

位移角控制结构的整体侧向刚度；位移比主要控制结构平面不规则性；周期比控制结构扭转效应。三者存在一定的关联性，一般先调整位移比，层间位移比变小伴随着层间位移角变小，结构的抗扭刚度相对于侧移刚度变大。

位移比不满足规范要求，说明结构布置不规则，抗扭刚度相对较弱，导致整体结构容易出现扭转破坏。对于这种情况，可以加强周边构件，特别是角部的竖向构件，尽量削弱中部刚度，双管齐下。同时，查看结构的振型图，确定结构刚度较弱的一侧，找出位移最大位置；然后，加强相应位置的竖向构件，或找出位移最小位置，削弱该位置的竖向构件。

一般情况，位移比满足了规范要求会伴随着位移角和周期比也满足。若层间位移角不满足，则说明结构抗侧刚度较弱，可加强周边竖向构件以提高结构抗侧性能。若周期比不满足，则说明结构的抗扭转刚度相对抗侧刚度来说较弱，容易使周边墙柱产生很大的剪力，导致脆性破坏。总的调整原则是加强结构外圈刚度，削弱内筒刚度。结构的第一、第二振型宜为平动，扭转周期宜出现在第三振型及以后，结构在两个主轴方向的动力特性宜相近（周期比T1/T2≥0.8）。当第一振型为扭转时，说明结构的抗扭刚度相对于其两个主轴的抗侧刚度过小，此时宜沿两主轴适当加强结构外围的刚度，并适当削弱结构内部的刚度；当第二振型为扭转时，说明结构沿两个主轴方向的侧向刚度相差较大，结构的抗扭刚度对其中一主轴（第一振型转角方向）的侧向刚度是合理的，但对于另一主轴（第三振型转角方向）的侧向刚度则过小，此时宜适当削弱结构内部沿“第三振型转角方向”的刚度，并适当加强结构外围（主要是沿第一振型转角方向）的刚度。

2.2 楼层刚度比、受剪承载力比调试措施

楼层刚度比、受剪承载力比均主要控制结构竖向布置的不规则性，避免结构刚度沿竖向突变，形成薄弱层。两者存在一定的关联性，楼层竖向构件刚度变化必然引起受剪承载力变化。刚度比还可用于判断地下室结构刚度是否满足嵌固端要求以及判断转换层刚度是否满足规范要求。

调试方法包含程序调整和人工调整。程序调整：软件计算会自动判断出来薄弱层，并将薄弱层调整放大参数提供给设计师填写，默认值为规范值。人工调整：可适当加强本层墙柱或梁的刚度或适当削弱上部相关楼层墙柱或梁的刚度，受剪承载力不足时，还可通过增大柱箍筋和墙水平分布筋、提高混凝土强度或加大截面来提高本层墙柱等抗侧力构件的抗剪承载力。

2.3 剪重比调试措施

剪重比是指结构任一楼层的水平地震剪力与该层及其上各层总重力荷载代表值的比值，一般是指底层水平剪力与结构总重力荷载代表值之比。它是反映地震作用大小的重要指标，在某种程度上也反映了结构的刚度。剪重比太小，说明结构整体刚度偏弱，水平荷载或水平地震作用下将产生过大的水平位移或层间位移，不仅影响适用性，也存在安全隐患，故规范做出了最小限值要求；剪重比太大，说明结构整体刚度偏大，会引起很大的地震内力，不经济。此处的底层不包括地下室，是因为地下室质量产生的地震力主要被室外的回填土吸收，故在计算结构的最小剪重比时，可不考虑地下室部分。满足最小地震剪力是结构后续抗震计算的前提，即结构的倾覆力矩、内力和位移会随着剪重比的调整而变化。

剪重比若不满足规范，根据《抗规》第5.2.5 条文说明：①当底部地震剪力不小于规范值85%时，可对当层及上部所有楼层采用乘以增大系数的方法调整，软件提供各楼层地震作用放大参数供用户填写；②当底部总剪力小于规范值85%或多于15%的楼层数不满足时，结构选型和总体布置需重新调整，不能仅采用放大地震作用的方法处理。

2.4 刚重比调试措施

刚重比是指结构的侧向刚度与重力荷载设计值之比，是影响重力二阶效应的主要参数，主要控制结构在风荷载或水平地震作用下重力荷载产生的二阶效应不致过大，避免结构的失稳倒塌。刚重比与结构的侧移刚度成正比，而周期比的调整将导致结构侧移刚度的变化。因此，刚重比和周期比互相关联，当某主轴方向的刚重比小于规范下限值时，应采用加强结构外围刚度的方法，特别是周期比接近规范限值时。规范上限值主要用于确定重力荷载在水平作用位移效应引起的二阶效应是否可以忽略不计，设计师需根据软件计算结果判断是否考虑，若考虑则勾选程序提供的相应选项，这样程序计算时自动计入重力二阶效应的影响。刚重比过大不能说明结构经济性较差，而是其他指标如位移比、位移角导致的结果。

2.5 轴压比调试措施

规范对墙、柱的轴压比定义不同，剪力墙轴压比指重力荷载代表值作用下墙肢承受的轴压力设计值与墙肢全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积的比值，而框架柱的轴压力设计值还需考虑地震作用组合。限制墙、柱轴压比主要是为了保证墙柱的塑性变形能力，即保证结构的抗倒塌能力，轴压比不满足说明结构的延性无法保证，耗能能力减小。轴压比过小，则说明结构经济性较差，优先减小该墙柱的混凝土强度，不得已才减小墙柱截面，因为会导致竖向刚度变小，从而影响位移比和位移角等指标。同理，轴压比过大，宜优先适当增大该墙柱的混凝土强度，再考虑加大墙柱截面。

对于框架柱，还可采用《抗规》第6.3.6 条规定的措施来提高轴压比限值，最多增加0.15，原理是箍筋对混凝土的约束能够提高混凝土的轴心抗压强度和混凝土的受压极限变形能力。

3 结语

随着国内建筑业的快速发展，截至2023年底，中国城镇化率已达65%，参考世界上其他发达国家的经验，当一个国家城镇化率达到70%时，城镇化将趋于稳定，房建市场需求相应减少，这意味着建筑业已然为夕阳产业，故而现在的房地产商相继转型别开生路或倒闭，开发商对工程成本把控也越来越严格，甚至把限额指标写入合同并作为考核设计单位水平指标。因此，设计师应与时俱进，时刻保持结构精细化设计，否则会前功尽弃，因为一旦优化单位介入，必然要求重新优化设计。为帮助业内新手少走弯路，总结了多年的项目设计经验并撰写本文，希望能为我国住宅结构设计起到参考作用。