浅谈高层商住楼结构优化设计及防范措施

　　摘要：剪力墙结构的高层商住楼已成为当前社会主要结构类型，如何实现其结构优化，经济、适用、安全、节能的设计目标越发受到业界的关注和重视。本文根据笔者多年结构设计实践，详细阐述了高层商住楼结构优化设计的方法与途径，并结合工程实例，对高层商住楼结构优化设计进行了探讨分析。
　　关键词：高层商住楼；剪力墙结构；结构设计；优化设计；最优比
　　1引言
　　随着社会经济的发展，全国各地兴建的高层建筑特别是商住楼数量日益增多，在结构上大多采用钢筋混凝土的框架剪力墙结构。当今是“节约型”社会，建筑节能已成为全社会的共识，因此，优化建筑结构设计，降低成本越发受到业界的普遍关注和重视。
　　如何实现高层商住楼结构设计过程中的优化，也成为广大设计师不断研究探讨的课题，下面结合笔者实践经验，谈谈个人的看法，供同行借鉴参考。
　　2优化高层商住楼结构设计的方法与途径分析
　　2.1建筑结构优化设计的目标
　　国内外学者在建筑构件优化方面已经进行过很多的研究工作，但到目前为止仍没有一个满足各种结构设计规范条件、符合设计人员习惯、尽可能接近最优解、能够适用于高层建筑结构设计的成熟的数学模型。尽管如此，但有一个观点还是比较明确的，也是大多数学者所赞同的，那就是：当结构的各个构件的内力都达到最大承载力时，即可认为结构是最优的。
　　当然，要想各个构件都能如愿的在同一时间发挥出所有潜能是很困难的，往往现实设计中是不可能办到的。但是，设计者可以以此为目标来优化设计，让设计尽可能的接近最优解，从而达到保证质量的前提下的结构合理、降低造价、节约投资的设计目标。
　　2.2形状优化比尺寸优化更有意义
　　在高层建筑的一个独立结构单元内，宜使结构平面形状简单、规则，刚度和承载力分布均匀，平面长度不宜过长，突出部分长度I不宜过大，详见图1。L、I等值宜满足表1的要求。高层建筑的竖向体型宜规则、均匀，避免有过大的外挑和内收，结构的侧向刚度宜下大上小，逐渐均匀变化，不应采用竖向布置严重不规则的结构。相信大部分的结构工程师都曾遇过类似情况：当一幢高层建筑的结构平面布置和竖向布置简单、规则、均匀，那么其各项指标的校核验算会很容易满足规范的要求，反之，则需花一番苦功才能令各项指标勉强满足规范要求。结果可能是墙柱截面尺寸大得惊人，单位面积重量严重超标，不仅造价上去了，而且还影响部分建筑功能的使用。
　　
　　笔者认为，结构设计人员一定要注重概念设计，在建筑方案阶段就应积极介入，运用自己的专业知识提出建议，在满足美观、适用的前提下，尽可能使建筑结构的平面布置和竖向布置简单、规则和均匀。这样一来，结构体系就会具有合理的刚度和承载力分布，避免因局部削弱或突变形成薄弱部位，产生过大的应力集中或塑性变形集中。只有这样，到扩初设计和施工图设计阶段的截面尺寸优化才会有实质性的意义。
　　2.3剪力墙的平面布置
　　采用高层商住楼剪力墙结构设计和优化过程中，主要应注意以下几点：
　　1）在结构平面布置中，在满足建筑功能的基础上，剪力墙宜沿周边均匀、相对集中布置。
　　在建筑物的楼梯间、电梯间、平面形状变化及恒载较大的部位宜布置剪力墙，其间距不宜过大。
　　2）剪力墙结构中，剪力墙宜沿主轴方向或其他方向双向布置，抗震设计的剪力墙结构，
　　应避免仅单向有墙的结构布置形式。
　　3）剪力墙墙肢截面宜简单、规则，剪力墙结构的侧向刚度不宜过大。
　　4）设计中应注意尽量减少短肢剪力墙的数量，不应采用全部为短肢剪力墙的剪力墙结构。
　　2.4合理使用高强砼和高强钢筋
　　建筑的总造价包括上部结构的材料、基础及施工等费用，构件的截面尺寸和用钢量对造价的影响很大，设计中合理使用高强钢筋（如梁、板筋采用三级钢）可有效降低用钢量，节约成本。
　　如果高层建筑位于深厚软弱地基上，由于作用于地基上的荷载很大，合理使用高强砼和高强钢筋优化构件截面尺寸，减轻结构自重，将会降低基础施工的难度和造价，取得显著的经济效果。同时，对于地震区的高楼，地震作用的大小几乎与建筑自重成正比，减轻自重能够减小结构的地震荷载，有利于提高结构的安全度。
　　笔者认为，在设计中合理的使用高强砼和高强钢筋，能快速、有效的减少墙、柱、梁、板等构件的截面尺寸，降低用钢量，减轻建筑自重，最终达到降低造价的目的。
　　3工程应用实例
　　3.1工程概况
　　某高层商住楼，剪力墙结构，地下2层，地上23层，总建筑面积25600m2，按6度设防考虑。嵌固端可取地下室顶板处；地下室层高为3.9m，首层层高为7.1m，2层层高为3.6m，其余各层层高均为2.9m，优化前的住宅标准层平面布置图（如图2所示）。
　　
　　3.2优化措施分析
　　1）分析图2，由文献[1]4.3.3条可知，l/Bmax=7100/18900=0.376﹥0.35，规则性判断为平面不规则类型中的凹凸不规则，同时经初步计算，在尽可能加长墙肢的情况下，即使首层墙厚取400mm，亦无法满足侧向刚度比的要求，竖向不规则类型判断为侧向刚度不规则。显然，本工程已有两项超出规则性的要求，需按《建筑抗震设计规范》(GB50011-2008)中第3.4.3条的要求进行水平地震作用计算和内力调整，并应对薄弱部位采取有效的抗震构造措施。
　　根据笔者以往的经验，若不优化平面形状，盲目采取加强措施，必然要付出沉重的经济代价，甚至会对“控制成本，降低造价”造成致命的打击。
　　由于在建筑平面的中部增加部分楼板对建筑功能的使用和立面的影响较小，经多方协商，发展商同意修改，修改后的平面布置（如图3所示）。但对首层商业区降低层高的建议因牵连过多，最后决定维持不变。
　　2)分析图2的剪力墙布置，核心筒位置的墙体布置似乎偏多，刚度偏大。经建模初算，其部分计算数据如表2所示。
　　
　　由表2中数据分析可知，结构平面布置中的核心筒处，其剪力墙数量有消减的余地。适当消弱结构中部的刚度，除了对控制结构扭转效应有利外，更直接的效果就是降低造价。假设所有墙厚均为200mm，仅削去核心筒处的部分墙体（如3所示），就可减少混凝土用量：0.96×(3.9×2+7.1+3.6+23×2.9)≈81.94m3
　　以及扣除原有墙体内的大量钢筋，其经济性是十分可观的。另外，本工程为高层建筑，核心筒以外的其它墙肢，其长度可每隔5~7层缩短一次，但应检查控制值（如位移比、轴压比等）是否满足规范要求和确保墙肢长度大于墙厚的8倍，避免墙体演变为短肢剪力墙。
　　3）板中受力钢筋不同强度等级的使用比较。本工程大部分板块的板跨都不大，计算后发现基本为构造配筋，即由最小配筋率控制，而最小配筋率与钢筋强度等级直接相关。本工程标准层的梁板砼强度等级采用C25，对比如下：
　　一级钢：ρmin=max｛0.2%,0.45ft/fy｝=0.27%
　　三级钢：ρmin=max｛0.2%,0.45ft/fy｝=0.20%
　　目前，市面上三级钢与一级钢的价位相差不多，三级钢与一级钢的强度比fy3/fy1=1.714。
　　当结构采用大板且为受力控制时，三级钢的优越性更明显；再者，用三级钢还有个好处，就是支座筋相对不易被踩下去，而底筋不需要弯钩，可减少施工工序。
　　4）本工程-2~11层，其剪力墙混凝土强度等级采用C45，往上约每隔5层变化一次，直到为C30时不再变化。分析表2，本工程若把墙最高砼强度等级再适当提高（如采用，C60），降低轴压比后，有部分墙肢其长度可进一步缩减。建设方出于对整个楼盘统一技术措施的考虑，且经初步估算后，工程造价已在可接受范围，故仍控制墙砼的最高强度等级为C45。
　　从以上分析可以看出，商住楼结构的优化设计，关键是要有整体和局部的概念，要从整体人手，落实到局部，整体和局部“两手抓”，从而最大限度地实现技术与经济的最优比。
　　4结语
　　综上所述，高层商住楼结构选型和结构布置对建筑物的安全、经济性的影响是很大的，只有对结构整个体系的承载能力、性能以及对结构分体系与结构构件相互作用的关系了解透彻，才能避免只依赖规范、设计手册、计算程序的设计习惯，从而实现结构优化设计，实现安全、科学合理、经济的设计目标。
　　参考文献：
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　　[2]GB50011-2008，建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.
　　[3]康为江，郦世平.高层建筑中竖向结构的选型与布置探讨[J].建筑技术．2005．(11).
　　[4]林同炎.结构概念和体系[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.
　　[5]张宇鑫，刘海成，张星源.PKPM结构设计及应用[M].上海：同济大学出版社，2006.

《浅谈高层商住楼结构优化设计及防范措施》

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