高層結構設計中的分階段優(yōu)化措施

1、高層結構設計中的分階段優(yōu)化措施韓葆銓 濮炳安（長江都市建筑設計股份有限公司，南京210002）摘要：開發(fā)商把降低含鋼量看成項目成本控制的關鍵。結構師需要采取設計優(yōu)化措施， 從而建造出既安全又經(jīng)濟的高層住宅項目。 筆者總結自身結構設計經(jīng)驗， 列舉、 分析了高層 結構設計的各階段可以采取的優(yōu)化措施。關鍵詞：降低含鋼量 高層住宅 優(yōu)化措施*Measures to Optimizing High Residential Building DesignHanBaoQuan PuBingAn （ Yangtze River Urban Architectural Design Co.,Ltd., 2100

2、02, Nanjing ）Abstract: The reinforcing bar amount reducing is considered as the key to cost reducing by developer.Some optimizing measures can be taken by structure engineer to construct safe and economical high residential buildings.The author sum up experiences in structure design,then list and an

3、alyse the measures to optimizing high residential building design.Key words: reinforcing bar amount reducing; high residential building; optimizing measures *1、前言 近年來，地產(chǎn)公司對高層建筑結構含鋼量的控制日益嚴格。某大型專業(yè)地產(chǎn)公司南京 地區(qū)大高層住宅 （層數(shù)超 18 層）含鋼量控制指標僅為 47.5kg/m2 ，超出指標即要求設計院優(yōu)化 設計重新出圖，開發(fā)商要求之高由此可見一斑。2、背景分析一方面，我國政府 90 年代以來大力提倡

4、節(jié)能環(huán)保、努力推動國民經(jīng)濟轉型。在這樣的 大背景下，開發(fā)商對住宅建筑本身和住宅建設過程中的節(jié)能環(huán)保采取了諸多具體措施。另一方面，由于政府從 2005 年開始逐步采取了抑制房產(chǎn)過熱的政策，再加上我國的人 力成本不斷增加， 開發(fā)商的利潤相對于項目投資總額的比重實際上在不斷下降。 據(jù)不完全統(tǒng) 計， 90年代以前許多地產(chǎn)開發(fā)項目的利潤率接近100%，而 2010年后業(yè)內(nèi)領先的地產(chǎn)公司利潤率也僅為 30%50%，少數(shù) 2009 年樓市火爆時期拿地的 “地王”樓盤利潤率甚至接近 0。這兩方面因素疊加在一起， 就造成了開發(fā)商對樓盤開發(fā)的成本控制有了越來越迫切的要 求。而土建工程造價一般占建筑工程總造價的70

5、%一 80%，土建工程造價中，約 75%為材料費，材料費中鋼筋費約占 40%一 70%。因此，開發(fā)商把降低含鋼量看成是項目降低造價 的關鍵因素。3、影響因素分析建筑物的含鋼量受到結構類型、 高度差異、 抗震設防烈度、 場地類別等諸多因素的影響。 比如砼框架結構的含鋼量一般在 30kg/m2 左右，而高層剪力墻住宅的含鋼量一般在 40kg/m2 以上并隨高度增加逐步變大。本文主要針對高層剪力墻住宅， 分擴初設計、 結構計算和施工圖設計等階段闡述結構優(yōu) 化設計、降低含鋼量的措施。3.1 優(yōu)化擴初設計結構布置合理是建筑物造價經(jīng)濟的基礎， 擴初階段的結構優(yōu)化設計往往可以起到事半功 倍的效果。3.1.1

6、 優(yōu)化墻體布置剪力墻體的用鋼量占總用鋼量的比重50%左右。如果平面布置合理 （均勻布置、適當加強周邊 ），墻肢長度、厚度取值合理 （參考高規(guī) 7.1.8 條和 7.2.1 條要求 ），則剪力墻暗柱配 筋和墻身分布筋多半不是內(nèi)力控制配筋而是構造配筋。 這里引入墻率 （扣除門窗洞口的剪力 墻橫截面面積與樓層結構面積之比）的概念，高層剪力墻住宅的經(jīng)濟墻率是5% 左右。優(yōu)化剪力墻平面布置的關鍵是減少平面凹凸和減少平面開大洞。 平面凹凸少，則平面布置需要的墻體面積就小，剪力墻的用鋼量自然就低。道理類似， 平面如果開了大洞， 剪力墻結構的墻率自然就高。 筆者曾經(jīng)做過一個在核心筒兩側架設空中 走廊的大高層，

7、墻率達到了 6.5%。3.1.2 控制平面規(guī)則程度結構平面布置比較規(guī)則，則在側向荷載 （地震作用、風荷載 ）作用下建筑物構件內(nèi)力比較 小，則構件配筋量就較少。同時規(guī)則性較差的高層住宅還需要根據(jù) 高規(guī) 規(guī)定構造增加受 力不利位置的構件配筋。前述減少平面凹凸和減少平面開大洞屬于控制平面規(guī)則程度。前一節(jié)所述大高層兩側 山墻全長全高采用了 250 厚砼墻來抵抗地震扭轉作用。 而同一地區(qū)、 高度類似的另一棟大高 層因為平面規(guī)則對稱，僅 1 層架空層兩側山墻端部用了 250 厚砼墻，上部山墻端部全采用 200 厚砼墻?？刂破矫嬉?guī)則程度的另一措施是減小長寬比。平面長寬比如達到 56 ，建筑物兩主軸方 向的動

8、力特性差異較大， 在側向荷載作用下抗側剛度較薄弱的窄邊方向上構件受力較大， 綜 合來看比長寬比接近 1 的建筑物含鋼量要高。3.1.3 控制豎向規(guī)則程度 與控制平面規(guī)則程度的原因類似，結構豎向布置規(guī)則在側向荷載作用下構件內(nèi)力比較 小，同時規(guī)則性較差的建筑物要構造增加受力不利位置的構件配筋?？刂曝Q向規(guī)則程度的措施包括減小高寬比、避免薄弱層和避免轉換層。3.1.4 不可忽略的“非主要”因素高層住宅的內(nèi)隔墻墻體材料、 建筑物周邊挑板這類 “非主要” 因素對含鋼量有不可忽視 的影響。南京地區(qū)常用的內(nèi)隔墻材料加氣砼砌塊， 自重小但砂漿粘結性能差， 為改善墻體強度 需要在門窗洞邊、縱橫墻相交部位大量設置構

9、造柱。頁巖模數(shù)多孔磚（非承重 ）近年來逐漸用于砌筑內(nèi)隔墻，容重略大但砂漿粘結性能較好，基本不需設構造柱。以南京地區(qū)某24層高層住宅（2類場地，高度72.1m）為例，經(jīng)筆者計算比較選用上述兩 種墻體材料板、 梁、墻配筋計算結果差異可忽略不計。 若采用加氣砼砌塊內(nèi)隔墻每層設構造 柱約 40個，全樓增加鋼筋用量約 6000公斤。而采用頁巖模數(shù)多孔磚 （非承重 ）不僅用鋼量省， 而且縮短了砌墻工時，減少了人工費用。建筑物周邊挑板 （飄窗、線腳、陽臺欄板等 ）面積不計入建筑面積，如果挑板面積較大、 造型復雜 （一處大樣含多層挑板 ），其用鋼量往往不容忽視。仍以上文所述高層為例，經(jīng)筆者計算比較，假設周邊挑

10、板均為單層，挑板長度多數(shù)在800mm 左右時，全樓挑板用鋼量約 2500 公斤；挑板長度多數(shù)在 1200mm 左右時，全樓挑板 用鋼量約7000公斤。假設周邊挑板長度均為 1000mm，挑板多數(shù)為單層時，全樓挑板用鋼 量約 3500公斤；挑板多數(shù)為雙層時，全樓挑板用鋼量約6500公斤。3.2 優(yōu)化結構計算經(jīng)過擴初優(yōu)化設計的高層建筑在模型計算階段還需要正確選取荷載和模型前處理參數(shù)。 樓面（屋面）附加恒載、墻體線荷載應根據(jù)實際建筑做法計算。樓面活載取值應按照 荷載規(guī)范取用， 不要隨意放大。 對于一些特殊功能的區(qū)域， 應會同相關專業(yè)決定荷載的取值。以 SATWE 程序為例， 有一些前處理參數(shù)的選取對

11、構件內(nèi)力有明顯影響： 梁彎矩放大系數(shù)是 SATWE 早期為沒有做活載最不利布置而設定的,如已經(jīng)選擇了活載不利布置的 ,則該系數(shù)不再需要放大。 梁剛度放大系數(shù)主要是考慮現(xiàn)澆樓板作為梁的有效翼緣提高了樓面梁 的剛度 ,住宅設計中中梁取 1.6 較合理 （該系數(shù)與梁高、板厚、板的邊界條件有關，新版程序 已可按砼規(guī)524條計算），如人為放大梁剛度會引起配筋增加。住宅設計時傳給基礎 的活荷載應該選擇折減。另外，在模型計算時通過調(diào)整建筑物周邊墻體剛度，調(diào)整平面剛度中心接近平面質(zhì)量 中心，可顯著減小高層住宅的地震扭轉效應（體現(xiàn)在計算結果中的周期比和位移比），從而減小墻體中的計算配筋。優(yōu)化施工圖設計施工圖設計

12、階段仍有諸多步驟可以優(yōu)化高層住宅含鋼量。優(yōu)化梁、板布置住宅建筑的特點是開間較小，控制各排砼墻的間距在 3.0m4.0m，砼墻之間的內(nèi)隔墻盡 量直接砌筑在樓板上， 否則內(nèi)隔墻下全部布梁會增加用鋼量。梁高、 板厚除根據(jù)跨度和構造要求確定外，尚應盡量使梁、板配筋率接近經(jīng)濟配筋率，梁的經(jīng)濟配筋率在0.81.2%，板的經(jīng)濟配筋率在 0.3 0.8%。合理選擇構造措施 砼墻體分布筋、樓板鋼筋和梁柱箍筋用量巨大，應注意滿足規(guī)范要求即可。滿足內(nèi)力計算要求的前提下，梁截面寬度盡量不大于 300，這樣可以避免設置復合箍筋。高層住宅底部加強部位根據(jù)計算結果和經(jīng)驗適當加強墻體配筋,上部墻體構造邊緣構件縱筋、 箍筋和墻

13、體分布筋根據(jù)高層規(guī)范配筋， 不隨意增加。地下室頂板、住宅平面兩端部的 樓板、轉換層樓板、 平面開大洞周邊的樓板、 平面較大凹進或凸出的樓板、 住宅頂層的樓板， 這些特殊樓板根據(jù)規(guī)范規(guī)定適當增加配筋，不隨意增加。優(yōu)選主樓基礎形式高層住宅的基礎造價約占總造價的 20%25%，正確選擇基礎類型、合理布置基礎將會 降低造價。對層數(shù)不大于 12 層的小高層住宅，如果基底持力層是承載力較好的粘性土或砂土層， 可以考慮采用 CFG 樁復合地基。 12 層以上的高層住宅通常采用樁筏基礎或者樁基承臺基礎。 采用樁基時，需進行樁型、樁徑、樁長等多方案技術經(jīng)濟性比較。不同地質(zhì)情況可選用不同樁型， 設計單樁承載力盡量

14、接近樁身結構強度。減少一柱一樁，盡量將樁布置在墻下，這樣上部荷載直接傳遞給樁， 承臺厚度可適當減小。 筏板基礎宜適當出挑， 一般出挑 0.5m 一 2m 左右， 有基礎梁時宜將梁一起出挑。 如果剪力墻布置間距較小或者很多墻肢不對齊， 建議選 擇樁筏基礎，因為若選用樁基承臺基礎需要設大量的承臺梁，而承臺梁的箍筋用量很大。地庫選型和抗浮設計許多高層住宅周邊有地下車庫， 地庫面積往往比較大有時還是雙層地庫。 梁板式樓蓋荷 載傳遞路徑明確， 受力性能比較好， 而地庫頂板以上的景觀布置和消防車道荷載具有諸多不 確定性，所以地庫頂板仍建議采用梁板式樓蓋。雙層地庫的中間層樓板建議采用無梁樓蓋+正柱帽，地庫底

15、板建議采用平筏板+倒柱帽，因為無梁樓蓋和平筏板可以降低地下室層高。降低地下室層高帶來諸多方面經(jīng)濟性改善： 基坑開挖土方量減少、 外墻防水面積減少、 降水 費用減少，而且無梁樓蓋和平筏板的施工難度比梁板式樓蓋小，節(jié)省了工時費用。筆者曾對青島地區(qū)某高層建筑周邊地庫分別采用上述兩種樓蓋形式，經(jīng)計算無梁樓蓋方案的混凝土用量提高了約 15%，但鋼筋用量降低了約 15%?？紤]到新版混凝土規(guī)范計算板 裂縫的荷載組合從標準組合改成了準永久組合，無梁樓蓋方案的含鋼量經(jīng)濟性會更加明顯。雙層地庫底板下通常要打抗浮樁， 而且抗浮樁承載力不高、 數(shù)量巨大。 建議采用植筋的 辦法在地庫負二層、 負一層頂板設短梁與地庫周邊支護樁連接， 這樣可以抵消一部分水浮力，從而減少了抗浮樁的數(shù)量。4、結語安全和經(jīng)濟是結構設計工作的兩項基本原則,結構設計師既要對高層住宅的投資建設方負