高層住宅結構體型優化設計探討

肖　雷（安徽省城鄉規劃設計研究院，安徽 合肥 230022）

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高層住宅結構體型優化設計探討

肖雷（安徽省城鄉規劃設計研究院，安徽 合肥 230022）

高層建筑物的選型優化，很多現行的措施可以作為參考。這有助于提高建筑結構性能，緩解城市經濟發展過程中的問題。用鋼量的多少是衡量住宅結構的重要因素，因此通過剪力墻結構和框架-剪力墻結構用鋼量對比分析可得出，在不影響安全以及其他設計參數的情況下，剪力墻結構整體優于框架-剪力墻結構。本文利用以往對于該方面工程理論和實際操作經驗，在此基礎上規劃設計在經濟實用型和安全合理性兩方面都能得到保障的住宅。

高層住宅；結構選型；優化設計；抗震性能

高層建筑中的結構設計需要考慮很多因素。這其中包括經濟成本、開發方的要求、材料的選取等。用鋼量材料成分比重可以體現設計方案的優劣。例如，在建筑整體可用性和安全性可以得到保障的情況下，在相應控制條件下選擇含鋼量的多少。企業之間投標競爭過程較為激烈，所以節省用鋼量是相當重要的。應該進行用鋼量數據的提取、比較、整合、統計工作。這為后續工程進展打下了良好的基礎。本文選用的實例是樓層總數的高度在百米之內（25～33層）的情況，描述了主要構件、類型、設計思路和重點、對比分析包括安全性和含量要素（含鋼量）等。

1　結構設計定義

高層設計較為復雜，需要各因素之間協同配合，以保證安全穩定，實用性好?，F依據建筑物結構設計的工程理論和實踐應用，總結出以下幾個原則：

1.1平面結構設計原則

在平面設計這一項中，建筑物需要保證傳力以及受力的均衡性，即盡最大可能的要求設計遵循簡單這一特性，避免出現由于受力不均衡而引起的抗震性要素的損失。具體應做到：①高層建筑的結構平面采用簡單對稱、規則均勻的結構平面。②要限制結構的長寬比，其目的就是要在結構設計中控制長矩形平面的使用，避免過大的扭轉效應。還應注意的是，電梯這一功用性的設施不宜放在角落區，而在剪力墻筒體上進行上述設備的布置就可以得到較好的效果。另外，應避免采用角部交疊及細腰形平面，這種結構平面鏈接較弱，各部分協同工作能力較差。

1.2豎直結構設計原則

結構豎向設計的關鍵是避免承載力及樓層剛度的突變，避免出現薄弱層。設計中，應使結構承載力和剛度自下而上逐步減小，均勻變化，不出現薄弱層。否則，在地震力作用下，薄弱部位將首先出現破壞，繼而影響整個建筑物的安全；建筑立面應盡量采用矩形梯形等規則形狀，避免采用階梯型。階梯型建筑容易出現應力集中現象，而上部結構剛度減小過快也會引起鞭稍效應。例如，在剪力墻布置上，根據自下而上承載力及剛度變化的要求，可以逐漸減小剪力墻厚度，降低混凝土標號，同時控制各層剪力墻軸壓比值，使他們具有合理的延展性。

1.3設計中控制參數

控制參數是設計中表現出來的重要的表征因素。所以探究一個合理有效量的范圍，對于整體的設計具有重要意義。這些量包括，各種比率（軸壓、剪重、剛度、），以及層間位移等。不同的參數會維持建筑的不同功能。具體的，每個樓層依據高低設置不同的軸壓比；每個建筑物結構的水平位移是由每層的位移角來決定的，為了維持結構的穩定，可以通過調整位移來實現；豎向結構需要剛度比來衡量以有效防止了脆弱不穩定的斷層出現。

1.4功能和效用上的特點

隨著城市化進程的不斷加深，人們對于住房的需求更加的必要和多元，即在保持一定固定量需求的同時，滿足人們對住房個性化的需要。從經濟節約的角度來說，住房要盡量保持大需求的供給狀態，最大程度上實現土地利用率的最大化，同時提升民眾對于住房個性化的需求，即保障個人住房的舒適度和安全性。。所以，現在住宅建筑有越蓋越高的趨勢，這就給建筑設計提出了更高要求，既要安全經濟，又要舒適節能。

2　設計現狀以及存在問題

近幾年，中國地產行業一直處于蓬勃發展的態勢，房價節節攀升，高層住宅越來越多，框架、剪力墻結構替代之前的磚混結構成為了時下建筑行業的趨勢。相應的挑戰衍生出計算機技術應用到建筑行業中，這包括計算機方面的應用。新的住宅結構需要新的材料，鋼由于生產造價低廉超高強度抗震性好等諸多原因成為了設計師的最佳原則。但是如果只用這一種材料的話，又存在著劣勢，即成本的高昂和對火耐受性較差。如此鋼和以往混凝土結構的結合就成為人們的首選。雖然這樣的結構已經將成本減少到最低，但是也需要克服一些關鍵部件截面尺度過大的問題。這需要對其進行設計和規劃，以形成更好的形式。除此之外，實際設計中，必須要嚴格把控質量關，在此基礎上，才能談及經濟上的效用高低。為了保證兼顧安全性的同時實現成本的最優，需要對結構設計進行優化。對工程實踐中遇到的具體問題具體分析，不斷的進行設計的優化，而不能毫無根據的套用書本、以及之前工作者的結果。與此同時，還應該加強方案檢驗體系的構建，以及相關人員的管理操作。

3　設計實例

3.1設計實例1

某小高層，主要情況介紹如下：10棟33層的主要住宅樓，總體高度為101.0m。

地下為兩層的車庫結構，配置有存放雜物的儲物間，首層層高4.5m，為出售的商鋪。其余層數均在3.0m。用鋼量不能超過80～85kg區間，并要求主樓第一層的可以照射陽光的花房是半敞開的狀態，其余一般層的結構平面如圖1所示。

3.1.1結構體系及設計要點受首層建筑功能與用鋼量的制約，主樓落地剪力墻只能集中布置于結構中部的樓、電梯井部位，其他部位只能設框架柱，形成圖1所示框架-剪力墻結構體系。根據高規（混凝土結構設計規程）中的設計原則［2］，為了保證支撐的墻面可以達標，

框架的承受力不能超過整體的一半。增加墻的厚度成為解決問題的最優。

3.1.2優化措施

圖1　實例1一般標準層平面圖

（1）減輕荷載：外墻和內墻分別采用不同的混凝土，樓宇內的裝修也應該得到控制，荷載保持在一定范圍內，外墻采用195mm，內墻采用95mm。

（2）減小柱截面：具體參數即大樓下面的部分的架構是C55標準的混凝土，隨著樓層的增加，標準以一定的間隔依次降低。與此同時，軸壓比也需要進行一定程度的限制。

（3）利用級別最新的鋼材，即Ⅲ級鋼：控制梁截面不大于210×650，梁縱筋（fy=360kNm）。該種強度的比之前級別的鋼材效果會提高1/5以上。

3.2設計實例2

某小高層，有5棟30層的建筑物，高是95.3m。地下部分是一層，包括地下室、儲物間功能；其中每層的鋼的用量均不超過63kg。通過大量的實地分析綜合考慮，整個大樓采用不同以往和框架融合的剪力墻結構。但是由于地下部分的墻體受到了限制，這部分應靈活的進行布置。如圖2所示。

圖2　實例2地下一層平面圖

3.2.1結構體系及設計要點

設計中需要注意的是第一層應部署抗震級別最強的三級鋼材，其厚度為200mm，與此同時還應考慮由于地下室進出車輛的問題，空間盡量要求開闊。

除此之外對于豎向不均勻現象的限制也是需要特別提出的一點，不能讓其復雜度增加［3］。

3.2.2優化設計措施

對于剪力墻延展特性的優化設置，和上面例子相同。另外，計劃使用鋼（±0.00以上的值）標準的為 45～51kg，而實際工程中用到的值為（±0.00以上的值）為49.05kg，預期在最終結果的范圍之內，效果還是在可控范圍內的。此外，該建筑物支持地下室進出雙車道，實用性還是比較理想的。

3.3兩者比較

表1　實例1、2結構震動性質指標

表2　實例1、2結構抗震性指標

本文所闡述的上述兩個例子的具體性能比較如上圖所示：對于小高層大樓的結構設計，運用實例2的剪力墻，可以起到更好的配置，延性、鋼使用量的最優化。

4　結論

經過一系列的實驗驗證，得到以下結論：

（1）在現今的社會環境下，用鋼量選擇是進行結構選擇的基礎，但首先應該滿足建筑設計在功能性上的完備以及結構上的安全標準，保證調控區間足夠大。

（2）通過實例可以看出，對于高層建筑物，剪力墻結構和非剪力墻結構的結合的性能表現的不是很明顯。收集的大量的數據顯示，剪力墻結構在自然災害中有著更為明顯的優勢，同時其用鋼量也比與非剪力墻結構的混合要低。實踐表明，剪力墻肢長度和厚度的比例在8∶1～10∶1最為適宜。

（3）很多建筑物存在著扭轉分布不均勻的問題，對于該情況應該積極的改進結構的分布，使其不均的分布能夠得到改善，避免由此產生的不利影響，保證其基本功能的完整性。

［1］肖于斌.論高層住宅小區建筑設計［J］.科技展望，2014，09：107.

［2］張儷耀.淺談高層住宅建筑中的短肢剪力墻［J］.建筑與預算，2013，04：53～54.

［3］譚方蘭.高層住宅結構選型和優化設計［J］.建筑結構，2010，04：58～62.

肖 雷（1971-），女，高級工程師，大專，主要從事結構設計工作。

TU318

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2095-2066（2016）09-0149-02

2016-3-8