復雜建筑結構優化設計

□文/朱黎蓬 張書鴛 杜恩閣

隨著社會的進步和經濟的發展，人們對建筑使用功能和外觀藝術性的要求不斷提高，建筑平面形狀和立面體形日趨復雜，結構形式呈現出復雜多變的趨勢，與此同時基坑越挖越深，越來越大，深度達20～30 m的基坑越來越多并且基坑場地緊張，有些地方緊鄰紅線，周邊幾無施工場地，基坑周邊環境復雜敏感，鄰近大量管線、建筑與地鐵構筑物，施工難度大，要求較高，另外，業主對工期及成本皆有較為嚴格的控制，這都給結構設計提出了較大的挑戰，要求廣大設計人員付出更多的努力，進行更深入摸索與實踐。

1 工程概述

工程為一國際知名酒店管理集團旗下高端品牌酒店，緊鄰地鐵沿線，總建筑面積5.7萬m2，其中地上面積3.7萬m2，地下面積2萬m2，由21層高塔樓與4層高裙房組成，設置3層地下室，兩者地下連成一體，地上通過抗震縫一分為二。塔樓主體高90 m，采用框架-核心筒結構體系，裙房高21 m，采用框架結構體系，見圖 1-圖 3。

圖1 工程效果

圖2 標準層平面

圖3 塔樓剖面

2 設計及優化過程中遇到的問題和采取的措施

工程設計使用年限50 a，設防烈度7度（0.15g），場地類別為Ⅲ類。主樓抗震等級為二級，抗震構造措施采用的等級為一級；裙樓抗震等級為三級，抗震構造措施采用的等級為二級。

2.1 地下室主體結構與深基坑支護逆作法相結合

工程位于地鐵沿線，距離地鐵較近，周邊高層皆先于其施工完畢，基礎埋深均小于此工程且本工程基坑深度達16 m，屬于超深基坑，基坑周邊環境復雜敏感，臨近大量管線、建筑與地鐵構筑物，經專家論證，決定采用深基坑支護結構與主體結構相結合的逆作法施工技術，即以地下室梁板作為支護結構水平支撐。

一般而言，傳統逆作法（圖4）僅是在原設計框柱中設置支護施工所需格構柱，不改變原結構受力模式，主體結構設計需要注意的問題僅在于梁柱節點處及梁縱筋與框架柱內部附加格構柱位置關系，無需做其他工作。但本工程樁已先期施工完畢且大多為三樁及四樁承臺，造成框柱內格構柱下樁無法施工，故需格構柱外移，置于框柱外側，施工時先施工原主體結構梁板，柱子鋼筋預留插筋后澆，圖5。

圖4 傳統逆施

圖5 本工程逆施

這樣原樓蓋梁受力模式轉變，在正常使用過程中為主梁者在施工過程中為次梁且梁的寬度及跨數改變，原來兩跨可能變成三跨或者一跨且原梁支座可能變為跨中，跨中相應變為支座。故主體結構設計應增加一種施工工況設計，把原框柱去除，代之以支護格構柱，主體構件要按照正常使用工況及施工工況取包絡設計且梁配筋也不能按照常規設計，應全部拉通。

此種方法成功解決了工程樁先期施工而框柱內無法設置格構柱情況，也可避免在傳統逆施下插格構柱過程中，由于施工誤差過大造成格構柱撓曲超過規范要求而導致的工程事故，有較強地可控性，但需要主體設計單位進行細心設計，同支護設計單位密切配合。

通過逆施解決場地條件帶來的問題，通過格構柱的外設解決逆施帶來的問題，確保結構安全，取得較大經濟效益和社會效益。

2.2 塔樓核心筒下大體積承臺筋優化

塔樓采用框架-核心筒結構體系，核心筒除承受較大豎向荷載外，還承受較大水平力及傾覆彎矩，是主要抗側力構件，其基礎混凝土體量及配筋巨大，對工程經濟性有重大影響。塔樓核心筒下承臺見圖6。

圖6 核心筒下承臺

出于受力考慮，核心筒下布置較多基樁，呈梅花形布設，經沖切計算，確定承臺高度為2 m，經有限元分析，縱筋配筋較大，未采用傳統雙層雙向滿鋪布設形式，而是采用滿鋪鋼筋+局部附加鋼筋形式，滿鋪鋼筋滿足規范要求最小配筋率并配置雙層雙向鋼筋網片，附加鋼筋為在承臺底部局部附加不滿足部分且鋼筋均以其兩側基樁為支座，從樁邊起算滿足錨固長度。

此種方法可以節省大量混凝土受壓區域不必要鋼筋，做到經濟合理，取得可觀的經濟效益。

2.3 框架-核心筒結構0.2V0調整暨核心筒剪力墻厚度優化

框架-核心筒結構為多道設防抗側力體系，框架為繼連梁、筒體后的第三道防線，由于其剛度較小，要使其能保證大震下的安全，則需要對其承受剪力進行調整[1]。此調整數值的大小與核心筒和框架間剛度有關，就本工程而言，由于核心筒尺寸相對平面較大，故核心筒的剛度起控制作用，當核心筒剛度較大時，框架部分0.2V0調整數值較大，框架配筋較大且部分超筋；當核心筒剛度較小時，結構整體位移角及周期比等則不滿足規范要求，故需對核心筒墻體厚度進行優化設計。

框架-核心筒0.2V0調整要求框架部分承擔的剪力不小于MAX[MIN(0.2V0,1.5VFmax),0.15V0]。

當底部墻體厚度為500mm時，由圖7可見，其框架部分的調整系數較大且核心筒Y向墻體由于框架過弱其剪力均放大1.1倍，說明框架部分剛度過弱，起不到二次設防作用且核心筒墻體進一步放大，配筋困難；經過多輪優化，將底部墻體厚度減小為400mm，由圖8可見，框架部分剪力僅需要相對較小調整，而剪力墻剪力則無需調整，此時剪力墻及框架配筋都在經濟配筋率范圍內且結構周期比、位移比、位移角等大指標都在可控范圍內。核心筒墻厚不是越厚越好，而是存在一個合理范圍，達到這個范圍就可取得較經濟合理的結果。

圖7 核心筒底部墻厚為500mm時0.2V0調整參數

圖8 核心筒底部墻厚為400mm時0.2V0調整參數

2.4 設備層設置對主體結構剛度影響及優化

因塔樓上部為客房而下部為多功能廳及宴會廳等，功能分區不同，故需要設置2個設備層，也就是管道轉換層，見圖9。設備層高度僅2.19 m，塔樓下部層高為5.1 m，上部客房為3.6 m，設備層的設置給結構專業帶來較大難題。

圖9 設備層剖面

設備層高度過小，正常作為一層設計時，結構剛度有較大突變，吸收地震力過大，形成事實上的加強層且由于層高過低，而形成短層（極短墻與極短柱）；而其上相近樓層因層高較大成為薄弱層，有較大的變形，在地震作用下極易產生破壞，存在嚴重安全隱患。

經過優化，實際設計時，將設備層不作為一層輸入，即以設備層與其上一層合并為一層設置，而設備層通過結構正常樓層上設立小柱+小梁來實現，弱化了設備層剛度影響，隨之帶來的問題是形成兩個層高較高樓層，一個為7.3 m，另一個為5.8 m，通過合理優化墻厚及連梁高度，控制結構不出現薄弱層，但為保證安全，將這兩層強制指定為薄弱層，以策安全，見圖10和圖11。

圖10 設備層作為單獨層時位移角

圖11 設備層不作為單獨層（即大層高）時位移角

3 結語

超深基坑，基坑周邊環境復雜敏感，臨近大量管線、建筑與地鐵構筑物，通過地下室主體結構與深基坑支護逆作法相結合的方式可較好解決工程問題，具有以下優點：

1）可以大量節省臨時支護結構的使用，節約資源，有利于基坑工程的可持續發展；

2）具有較強的經濟性，可縮短工程施工的總工期；

3）基坑變形小且對周圍環境影響小。

酒店功能復雜，對結構專業要求較高，通過深入細致工作，經過多次優化設計，采取可靠措施方能實現建筑及設備功能要求，貫徹國家對建筑工程安全適用、技術先進、經濟合理、確保質量的技術經濟政策，如通過設備層的合理處理，即滿足酒店功能要求，又使得結構安全得以保證。結構設計應反復論證，使結構剛度適中、剛柔相濟，使得核心筒墻體厚度在合理范圍內，既滿足安全要求，又保證工程造價在相對合理范圍內，從而取得較好經濟效益和社會效益。

[1]JGJ 3—2010，高層建筑混凝土結構技術規程[S].