1、福林小区高层住宅楼结构的优化设计技术探讨摘要：本文结合笔者主设完成的福林小区高层住宅楼这一工程实例，探讨了剪力墙结构的优化设计。提出了“荷载计算正确、设计参数取值正确、结构布置合理、构造措施适度以及采用高强钢筋”等结构优化设计的主要技术措施。结构工程师在遵循规范规定的前提下，通过采取结构优化设计，就能设计出节约钢筋用量、满足业主限额设计要求的结构，实现结构的安全性和经济性的统一。 关键词：高层住宅；剪力墙结构；优化设计；技术措施：钢筋用量 中图分类号：TU318 文献标识码：B 文章编号：1008-0422（2013）10-0131-03 1 前言 近年来，随着国家集约化节地政策的贯彻落实，高
2、容积率的高层住宅商品房在全国遍地开花，而剪力墙结构体系是高层住宅中最主要的结构形式。建设“资源节约、环境友好”的两型社会，建筑节能、节材已成为全社会的共识。做好结构优化设计，即在确保结构安全及建筑使用功能的前提下，做到技术可行、经济合理、节约钢筋用量，受到了业主方、设计方的普遍重视，这也是结构工程师的责任。 以下结合笔者主设完成的福林小区高层住宅楼这一工程实例，探讨剪力墙结构的优化设计、节约钢筋用量的主要技术措施。 2 荷载计算正确是优化设计的基础 2.1 荷载计算、折减要正确无误 恒、活荷载的计算是否正确，关系到建筑物的结构安全，以及钢筋用量是否节约，必须认真对待。荷载的计算要做到不漏算、不
3、多算。恒荷载应按选用的建筑材料、构造大样详细计算，活荷载应按建筑结构荷载规范GB50009-2012（简称荷载规范）取值，不要擅自放大。 考虑风荷载作用时，需严格执行荷载规范对风压高度变化系数这项最主要影响因素的规定。风压高度变化系数按地面粗糙度的类别取值，在其它情况相同、仅地面粗糙度类别不同时，其风压高度变化系数取值也有很大区别。因此，根据建设场地实际情况，确定地面粗糙度类别尤为重要，一般城市市区有密集建筑群，其地面粗糙度为 C 类。 对于荷载规范中第 5.1.2 条折减的项目，应严格按所列各项系数予以折减。地下室顶板上的消防车活荷载标准值很大，但出现概率小、作用时间短，应考虑覆土厚度影响按
4、荷载规范附录 B 进行折减，设计基础时可不考虑消防车活荷载作用。 2.2 荷载清理需精心 门窗洞口、围护墙顶部的结构梁高度范围，其墙体荷载可以扣除，不是按建筑层高计算墙体荷载，而是按墙体净高计算墙体荷载。 2.3 围护墙体选用轻质材料 围护墙体尽可能选用轻质、节能的墙体材料，如加气混凝土砌块，以减轻荷载、减小地震作用，降低结构梁、剪力墙以及基础的造价。 3 设计参数取值正确是优化设计的前提 中国建筑科学研究院开发的 PKPM 系列软件，是目前设计院应用较为广泛的结构计算软件。该软件中部分设计参数，需要用户根据规范规定选用，这些设计参数的确定影响着结构优化设计的效果、钢筋用量的水平。因此，只有弄
5、清楚每个参数的内涵，才能正确地选用。 3.1 地震信息 高层建筑混凝土结构技术规程 （JGJ32010） （简称高规）第 4.3.2条规定，质量与刚度分布明显不对称的结构，应计算双向水平地震作用下的扭转影响；其它情况，应计算单向水平地震作用下的扭转影响。高规第 4.3.3 条规定，计算单向地震作用时应考虑偶然偏心的影响。按此规定，偶然偏心和双向地震不同时考虑。 由于考虑双向地震作用比考虑单向地震作用的计算地震力大，结构设计的关键是对质量与刚度分布规则性的判断，以确定结构计算是考虑双向地震作用还是单向地震作用。根据初步试算结果，当楼层竖向构件最大的水平位移和层间位移与该楼层平均值的比值大于 1.
6、2 较多时（例如，对于一般 A 级高度的高层建筑结构，该比值大于 1.4 时） ，则可认为该结构的质量与刚度分布明显不对称、结构扭转比较明显，计算时需要考虑双向地震作用；否则，计算时只需考虑单向地震作用（考虑偶然偏心影响） 。 3.2 周期折减系数 高规第 4.3.17 条规定了剪力墙结构的周期折减系数为 0.8-1.0。周期折减系数应根据填充墙的实际情况来选择，对于剪力墙结构，砌体填充墙数量较少，其刚度远小于钢筋混凝土剪力墙的刚度：工程实测结果表明，建筑物实测周期短于计算周期，但是比较接近，故剪力墙结构的周期折减系数取值不宜太小。如果对周期折减系数予以盲目折减。势必造成结构刚度过大、吸收的地
7、震力增大，导致剪力墙计算配筋量也随之增大。 3.3 梁弯矩放大系数 PKPM 软件中的 SATWE 模块，已经考虑了楼面活荷载不利布置引起的结构内力增大，故“梁弯矩放大系数项”不必填人大于 1 的值进行再次放大。如填人大于 1 的放大系数，SATWE 是正、负弯矩同时再次放大。相应地，结构梁的上、下部计算配筋值均增大，这实际上是不必要的浪费。4 结构布置合理是优化设计的核心内容 在满足建筑功能要求的前提下设计出合理的结构布置，是结构工程师进行结构优化设计的最核心内容。如果一栋建筑物的钢筋用量尽管很节省，但结构布置不能满足建筑功能的要求，则该结构设计绝对的称不上是优化设计。 对于高层住宅剪力墙结
8、构，其剪力墙及边缘构件的钢筋用量一般超过总用量的 50%，剪力墙布置的优劣直接关系到整个结构的经济指标，剪力墙布置是结构布置进行优化的最主要对象。 4.1 剪力墙布置 对于高层住宅剪力墙结构，其剪力墙优化布置的基本原则是：尽量采用减少剪力墙数量的大开间方式；在布置剪力墙的同时，应同时考虑尽量减少边缘构件；要按照“规则、均匀、对称、分散、周边”的要求，以期通过布置较少的剪力墙，而使结构获得满足规范要求的承重、抗侧以及抗扭刚度。 4.1.1 多布置均匀长肢剪力墙，尽量避免布置短肢剪力墙 在保证承受水平及竖向荷载的前提下，剪力墙布置应尽量采用大开间方式，要避免在较小的间距内布置剪力墙。要通过布置均匀
9、长肢剪力墙，来减少剪力墙墙肢数量。因短肢剪力墙的竖向钢筋是按全截面计算配筋率，它比一般剪力墙的钢筋用量要多，故要避免布置短肢剪力墙。通过采取以上措施，可以减少剪力墙墙肢、边缘构件的数量，节约剪力墙、边缘构件的钢筋用量。需要特别注意一个问题：在一个结构单元中，应避免布置个别长度特别长的剪力墙墙肢，以避免该墙肢承担的地震力占总地震力的比重特别大，防止因应力集中而破坏。 4.1.2 剪力墙宜为 L 形、T 形，简化边缘构件形状 结构布置合理的结构，其剪力墙边缘构件的配筋一般是构造配筋、不是计算配筋值（即一般情况下，计算配筋量比构造配筋量数值小） ，而构造配筋量与边缘构件截面的面积有着线性比例关系。边
10、缘构件截面形状的确定与剪力墙布置有着密切的关系，由于在剪力墙转折处必须设置边缘构件，因此一定要密切配合建筑专业的户型设计，要考虑到剪力墙连续转折、以及小墙垛布置对边缘构件的影响，剪力墙的布置要尽可能为带翼缘的 L 形、T 形，避免布置复杂形状多次转折墙肢，从而达到简化边缘构件形状，避免设置尺寸较大的边缘构件。通过以上措施达到结构优化、节约边缘构件钢筋用量的目标。 4.1.3 加强周边，弱化中部 剪力墙的布置要“规则、均匀、对称、分散、周边” 。在建筑物中部宜减少剪力墙的布置数量；剪力墙应尽可能布置在建筑物外围周边位置，同时利用外周窗台设置高连梁以加强刚度。这样既有利于提高结构的抗侧、抗扭刚度，
11、又有利于控制位移比。 4.1.4 结构梁应双向连续 建筑物两个方向的剪力墙，均应通过设置连续的框架梁或连梁，形成双向抗风、抗震结构，避免独立墙肢出现，这有利于增强结构的整体抗侧刚度，可以用数量较少的剪力墙来满足层间位移角限值要求。 4.2 梁、板布置 在结构梁布置时，应保证梁的传力路径简单而明确，避免多重次梁传力的情况，这样有利于抗震。当跨度较小（例如 3.0m 以内）的板上有轻质隔墙时，该位置可不设置梁，而采用在板内设置加强筋的措施予以解决，这样能够避免因设置梁而导致受力复杂、构造配筋增多的情况。对于住宅楼这类剪力墙结构，其梁的跨度一般比较小。不需设置高度太高的梁，因梁高度越高混凝土用量越大
12、、构造配筋越多。 对于高层住宅楼，其活荷载标准值不大，故除客厅等跨度相对较大的板、以及异形板外，其它绝大多数结构板均为构造配筋，楼板的厚度就决定了楼板钢筋用量的大小，楼板厚度一般按挠度、裂缝、以及板内穿管的要求取值即可，不必过厚。 5 构造措施适度是优化设计的关键一环 规范对结构构件的构造措施有具体规定，它对保证结构的安全性起了重要作用。在实际的结构设计中，采取的构造措施要适度，擅自提高标准是没有必要的。 5.1 剪力墙构造配筋 除顶层剪力墙外墙等受温度应力影响较大的区域，该部位为减少混凝土收缩及温度应力引起的裂缝，应加大分布钢筋的配筋量以外，楼层剪力墙的配筋计算结果一般为构造配筋，此时只需根
13、据剪力墙厚度，选配符合规范规定的构造配筋即可。 根据前文所述，剪力墙边缘构件一般是构造配筋。边缘构件的纵向钢筋，如果采用等直径的配筋方式，会导致实际配筋比构造要求的配筋量大很多。可以参照框架柱的配筋方式，即在边缘构件的角部及转折部位配置直径相对较大的钢筋，而在中部配置直径相对较小的钢筋。采用该配筋方式，是钢筋用量比较节约的方式。 5.2 梁构造配筋 混凝土结构设计规范 （GB50010-2010） （简称砼规）第 9.2.13 条规定，当梁的腹板高度 hw 不小于 450mm 时，在梁的两个侧面应沿梁高度配置间距不大于 200 的纵向构造腰筋，每侧配筋截面面积不应小于腹板截面面积的 0.1%。
14、配置构造腰筋主要是为了防止梁侧面产生垂直于梁轴线的收缩裂缝。目前很多结构工程师，不论梁宽多少均采用直径 12 的腰筋。对于住宅楼这类剪力墙结构，常采用梁宽 200 的梁，如腰筋间距取 200，则直径 8 的钢筋就能满足要求，则相应地可以节省一些钢筋。比较简便可行的做法是根据梁的宽度，按照规范规定的构造腰筋间距、配筋率，再反算腰筋直径。这样既符合规定要求，又节约钢筋用量。 5.3 板构造配筋 除屋面板等受温度影响较大部位，需在结构板上部配置构造钢筋外，其它部位结构板的上部钢筋，按砼规第 9.1.7 条规定，采用分离式配筋，上部钢筋在跨中予以截断。 砼规第 8.5.1 条规定的最小配筋率是针对纵向
15、受力钢筋而言的。对于简支边上部筋配置 8200 即可满足该规范第 9.1.6 条规定。当结构板厚度相对较大时，对简支边的上部筋采用构造配筋，可以节约钢筋用量。 6 采用高强钢筋是优化设计的最直接手段 根据砼规第 4.2.3 条，HRB400、HRB335、HPB300 级钢筋强度设计值分别为 360N/mm2、300N/mm2、270N/mm2。HRB400 级钢筋比 HRB335 级钢筋强度提高了 20%，HRB400 级钢筋比 HPB300 级钢筋强度提高更多、达 33%。从以上简单对比可以看出，在其它措施相同的情况下，采用 HRB400 级高强钢筋，就能获得较为经济的钢筋用量，它是结构优
16、化设计的最直接手段。 7 工程实例分析一福林小区高层住宅楼 2012 年 12 月，福林小区住宅楼获国家林业局优秀设计一等奖。 7.1 工程概况 福林小区住宅楼位于长沙市城南中路。该工程包括 3 栋住宅楼、1 栋公寓楼、1 栋勘察设计业务楼。该工程的实物效果图见图 1（1 号栋居于图 1 左边） 。 本文以 1 号栋为例说明有关设计情况，1 号栋标准层结构平面示意图见图 2。 1 号栋为地下二层甲六级人防地下室、地上三十四层，一层层高3.6m、二-三十四层层高 2.8m，建筑总高度为 96.0m，属于 A 级高度的高层建筑物；建筑结构使用年限为 50 年，抗震设防烈度为 6 度，设计基本地震加
17、速度为 0.05g，地震分组为第一组，抗震设防类别为标准设防（丙）类，场地类别为类，多遇地震的水平地震影响系数最大值为 0.04，特征周期值为 0.35s；基本风压为 0.39kN/m2（按 50 年一遇提高 1.1 倍取用） ，地面粗糙度类别为 C 类；活荷载按荷载规范取值、等效静荷载按人防规范取值，围护墙采用加气混凝土砌块；结构安全等级为二级。 采用现浇剪力墙结构体系，剪力墙的抗震等级为三级，1-3 层为底部加强部位；采用人工挖孔桩基础。 剪力墙的混凝土强度等级：地下室及 1-8 层为 C45。9-16 层为C40，17-24 层为 C35，25 层及以上为 C30；梁、板的混凝土强度等级
18、：地下室及 1-8 层为 C35，其它为 C30。钢筋选用 HRB400 级钢筋。 通过薄弱部位设置结构拉板，并经结构计算调整，各项计算指标均能满足高规对 A 级高度的高层建筑结构的规定。 7.2 经济分析 福林小区住宅楼遵循上述优化原则进行结构设计，其 1 号栋混凝土用量为 0.34m3/m2，钢筋用量为 38.7kg/m2（注：不含非结构构件钢筋用量，面积按实际楼板面积计算） 。 在钢筋用量的构成中，剪力墙及边缘构件的钢筋用量占总用量的比重较大，其中底部加强区为 59.3%，非底部加强区为 54.7%。因此，在设计中，应注意剪力墙布置，减少不必要边缘构件，尤其在剪力墙、边缘构件的配筋设计中
19、，不要随意增加配筋量。 8 结语 8.1 高层住宅楼剪力墙结构的优化设计，不局限于以上所讨论的方面，例如还有基础等的优化。任何建筑物都可能有比较经济的结构优化设计方案。所以，真正的优化应是全过程的，需要各专业的密切配台。只有根据具体工程情况，经过多次“试算-调整” 、反复比较，才能达到结构设计优化、节约钢筋用量的目标。 8.2 文中虽然提出了结构优化设计、节约钢筋用量的技术措施，但笔者坚决反对违反规范要求的所谓“节省” 。结构优化设计的目的是物尽其用，充分发挥材料性能，尤其是发挥钢筋的性能，不能不分轻重地按规范的下限进行设计。对影响结构安全性能的重点、关键部位，以及计算模型与实际情况有出入的部位，应予以配筋加强，做到有的放矢、重点突出、确保安全。 8.3 结构工程师在遵循规范规定的前提下，结构设计采用“荷载计算正确、设计参数取值正确、结构布置合理、构造措施适度、采用高强钢筋”等优化设计的主要技术措施，就能设计出节约钢筋用量、满足业主限额设计要求的结构，实现结构的安全性和经济性的统一。
