高層住宅小戶型設計優化研究及應用

上海建工房產有限公司 上海 200080

本文圍繞高層保障房建筑設計優化和結構用鋼量控制技術開展研究，并結合上海市某保障房工程，詳細介紹了該項目的設計優化方法。該工程總建筑面積299 818.32 m2，地下建筑面積34 253.87 m2，由15 棟17 層、12 棟14 層高層住宅樓組成，標準層層高2.8 m，均設置1 層地下室。

1 建筑設計優化

高層保障房由于房型面積小、容積率高，建筑單體設計一般采用一梯多戶策略，這就對得房率高、房屋功能舒適度高的建筑房型設計提出了很大的挑戰。本工程對一梯四戶房型和一梯六戶房型進行了設計優化，見圖1～圖4。

一梯四戶優化前的房型，主要存在以下問題：得房率為82%；該房型次臥室通風及采光弱；衛生間門對客廳。優化后：得房率提高至85%；次臥室位置調整后，通風采光良好；避免衛生間門對客廳的不雅。

一梯六戶優化前的房型，主要存在以下問題：得房率為79%；戶型合用的前室無通風采光，出現暗廳，影響戶型品質；H戶型對應布置家具的墻不到3 m，不利家具布置。通過調整后，得房率提高至83%；戶型合用的前室采光通風良好；改變了H房型的廚房開口方向，增長了客廳右側墻面長度。另外，墻體布局的調整使得結構剪力墻墻體對正，增加了結構抗側力剛度，從而控制了土建造價。

2 結構設計優化[1-5]

2.1 建筑方案對用鋼量的影響

圖1 一梯四戶優化前建筑房型

圖2 一梯四戶優化后建筑房型

圖3 一梯六戶優化前建筑房型

圖4 一梯六戶優化后建筑房型

2.1.1 建筑體量對用鋼量的影響

建筑體量主要是指建筑的平面長度、平面的長寬比、建筑物的高度和高寬比。超長建筑還應考慮到混凝土的收縮應力和溫度應力，會增加很多抗裂措施而增加造價；而長寬比過大即平面過于狹長的建筑物在地震作用下，結構扭轉特性更為顯著，為了增加抗扭轉剛度，會增加抗側力構件的布置，從而導致混凝土的增加和用鋼量的增加；高寬比大的建筑為了增強結構的整體穩定并控制結構側向位移，勢必要設置剛度及強度較大的抗側力構件來提高結構抗側剛度，這些都會使得用鋼量增加。

2.1.2 平、立面形狀對用鋼量的影響

有些建筑為追求外觀效果，經常會采用在平面上大凸大凹、在立面上大收大挑及高位轉換等手法，但這會給結構設計帶來許多困難，容易造成抗震超限等問題，會大幅度提高建造成本。

2.2 結構方案對用鋼量的影響

2.2.1 樁基設計優化

上海軟土地基的樁型一般多選用預應力管樁、鉆孔灌注樁，而傳統的樁基承載力計算一般是根據地質勘察報告中的土層數據確定，但地質報告中的數據又是通過土工試驗的結果轉換得出，不能充分體現原狀土的土體承載力，一般取值比較保守。而通過現場試樁得出的樁基承載力，可充分體現建筑工程樁基的實際承載能力。以筆者所在公司開發的上海市某保障性住房項目為例，工程抗壓樁選用PHCΦ400mm AB 95預應力管樁，樁長30 m，樁端入地質⑦1層4.6 m，根據地勘報告計算的單樁承載力設計值為1 050 kN，而試樁抗壓承載力極限值卻達到2 400 kN，比根據地質報告得出的抗壓承載力可提高近20%，按此調整樁型和布樁方式，樁基造價可大幅減少。

2.2.2 基礎布置形式優化

作為建筑物的重要組成部分，地基基礎的造價占總造價的10%～20%，在結構設計的時候選擇好基礎形式將有利于合理地控制工程造價。對某一具體建筑，要選擇多種方案進行比選，只有經過技術經濟比較，嚴格遵循相關規范，才能得出合理經濟的方案。

仍以該工程某號樓為例，其高層住宅選用了2 種基礎底板布置形式進行比較。方案一：樁基聯合承臺+厚350 mm防水靜力板，見圖5，用鋼質量總計14.1 t；方案二：梁板式樁基，基礎梁600 mm×800 mm，板厚400 mm，見圖6，該方案用鋼質量15.2 t。經與相關部門技術評審，上海軟土地區適宜采用方案二，該方案造價雖然略高，但整體剛度大，該基礎形式更符合基礎受力特點，結構計算時剪力墻通過地基梁將上部荷載傳至樁，基礎底板則應考慮水浮力和部分上部荷載的作用。

2.2.3 抗側力構件平面布置優化

圖5 基礎底板布置方案一

圖6 基礎底板布置方案二

抗側力構件（剪力墻）的布置是為了抵抗水平力的作用，為防止扭轉，講究“金角銀邊草肚皮”，可將剪力墻盡量設置在建筑端部和角部，以增大整體的抗側剛度和扭轉慣性矩。因此，剪力墻的優化方向有兩點：一是調整剪力墻布置位置，以最少的墻體布置獲得最好的抗震結構性能指標；二是剪力墻墻肢應盡量避免出現短肢剪力墻。

還是以該工程 1#～2#樓（B房型）、3#～6#樓（D房型）為例，將厚200 mm剪力墻總長分別從94.25 m（B房型）和106.65 m（D房型），優化至84.45 m和96.35 m，節省了不少鋼材。

2.3 結構計算優化

結構計算優化，主要體現在施工圖須精細化設計，主要是控制計算輸入參數、計算模型建立和計算結果指標。其中輸入參數主要有：混凝土密度、荷載信息、周期折減系數等；計算結果控制指標包括將周期比、位移比、層間位移角、剪重比、剛重比、剛度比、軸壓比等均設在合理的范圍內，如：周期比均在0.8以下，偶然偏心作用下的位移比均不大于1.2，層間位移角均控制在1/1 050左右、剪力墻軸壓比大多數小于0.4等。經以上措施，有效減小了結構體系的地震反力及扭轉效應，對提升經濟性大有裨益。

2.4 結構構造優化

2.4.1 樓板配筋設計優化

在結構薄弱部位，如樓層電梯間，走道樓板厚度為130 mm，常規設計在薄弱部位樓板均有加強，一般頂面筋雙向貫通至Φ8 mm@150 mm，本工程優化后見圖7，最終采用了板面分離式配筋，按最小配筋率配筋為Φ8 mm@190 mm。

2.4.2 剪力墻設計優化

在PKPM軟件計算中，當剪力墻滿足平截面假定時，可采用組合配筋計算結果。本工程L形剪力墻PKPM計算結果，長肢方向為0，短肢方向為7，則采用組合配筋方式和不采用組合配筋方式對比見圖8。經與審圖公司溝通，最終選用了組合配筋，剪力墻配筋大幅優化。

圖7 樓板配筋優化

圖8 剪力墻暗柱配筋對比

3 實施效果

本工程經采取以上措施后，上部結構用鋼量指標標準層從51～53 kg/m2，降低到39 kg/m2，地下室用鋼量指標標準從150～170 kg/m2降低到122 kg/m2（1#樓）和118 kg/m2（2#、3#樓）；住宅結構綜合用鋼量從63 kg/m2降低到45.2 kg/m2（1#樓）和44.8 kg/m2（2#、3#樓）。共節約造價70～90 元/m2（以鋼筋綜合造價6元/kg計），工程樁節省造價約600 萬元，為類似工程積累了豐富的經驗。