建筑結構設計優化的研究與應用

靳金堂

上海析越建筑設計咨詢有限公司 上海 201812

正文：

1 引言

房地產開發項目中，設計在整個建設項目中成本占比很小，約1%～3%，但卻影響著整個項目總投資70%～90%的成本。在設計階段對項目進行優化控制，在不降低建筑功能和品質、不降低結構安全性的前提下，一般建筑結構優化可以降低20%～30%的工程造價，對項目的成本控制有重要意義。

2 嵌固端的選取和地下結構抗震等級優化

上部結構計算嵌固端位置的選取，對經濟指標的控制有重要影響，且關系到地下室抗震等級的確定，由規范[1]，當選取地下室頂板作為上部結構的嵌固端時，地下一層以下相關范圍的抗震構造措施的抗震等級可逐層降低一級，但不低于四級。一般地，對于帶多層地下室的高層，嵌固部位取在地下室頂板是較為經濟的選擇；對于帶一層地下室的高層，嵌固位置宜優先選取在基礎頂，即地下室底板。

筆者在審查西安8度抗震設防區某住宅項目時發現，此項目中10棟住宅項目地上34層，地下2層，負一層、負二層均為機動車庫，結構計算嵌固端取為地下室底板，但250mm厚（局部300mm厚）的地下室頂板，雙層雙向通長筋仍按0.25%的配筋率配置。地上主樓抗震等級一級，地下室頂板和負一層“相關范圍”抗震等級隨主樓，受相關范圍為主樓外延三跨或20m的影響，整個小區的相關范圍幾乎占據了整個地下室，相關范圍內抗震等級隨主樓，抗震構造等級均為一級。地下車庫為長短跨柱網（8.0m×（5.8m+6.6m+5.8m）），原設計負一層X向和Y向梁截面均為400x550，地下室頂板梁長度8m跨方向梁截面500x700，長短跨方向梁截面500x600，造成地下室頂板和負一層梁箍筋按一級抗震構造等級要求設置，四肢箍筋且直徑不小于 10，最小配置10@100/200（4），比計算值較為富余，尤其地下一層梁箍筋配置富余較多，造成工程成本的巨大浪費。究其原因，一是計算嵌固端的選取不合理，二是梁截面或負二層樓蓋形式選取不經濟。

最終，筆者的優化意見為：①改選地下室頂板為上部結構計算嵌固端，這樣，地下二層的抗震構造等級可降低為二級，且地下二層剪力墻邊緣構件可不設置約束邊緣構件。②優化地下室頂板梁截面：8.0m跨梁截面500×700建議優化400×700；長短跨方向梁截面500×600建議優化300×700，四肢箍優化成兩肢箍；③地下一層由于荷載較小，建議采用無梁樓蓋形式，且負二層層高可壓縮200mm。最終，結構設計優化取得了可觀的經濟效益。

3 剪力墻結構布置優化

剪力墻結構在住宅項目中應用廣泛，剪力墻混凝土和鋼筋用量在項目總成本中占比較大，合理布置剪力墻及確定墻肢長度是剪力墻結構設計優化的重點。

剪力墻的平面布置應遵循“均勻、對稱、周邊、分散”的原則，豎向應上下剛度連續、均勻，在保證側向剛度和承載力基礎上，應采取措施優化剪力墻數量和厚度。一般可從如下方面優化控制：

（1）控制位移比。規范[2]規定鋼筋混凝土剪力墻結構彈性層間位移角限值為1/1000，工程中Y向層間位移可優化控制在1/1000～1/1200。抗震承載力計算時，框架-剪力墻、剪力墻結構中的連梁剛度可予以折減，但計算位移及位移比時，連梁剛度可不折減。

（2）控制剪力墻墻率。住宅建筑中，剪力墻布置應經濟、合理，墻率宜滿足：

26～33層：7度小于6%～6.5%、6度小于5.5%～6%；

18～25層：7度小于5.5%～6%、6度小于5%～5.5%；

12～17層：7度小5%～5.5%、6度小于4.5%～5%。

（3）變截面設計優化。剪力墻應進行結構截面的合理優化，在滿足施工條件前提下，應自下而上進行變截面設計。

剪力墻結構，除墻體穩定性計算需要及構造加強外，還應嚴格控制墻體厚度，一般地，100m高度以內的高層住宅，剪力墻最厚不宜大于250mm厚；80m以內的高層住宅，剪力墻最厚不宜大于200mm：60m以內的高層住宅，剪力墻厚度不宜大于180mm；多層住宅剪力墻厚可采用180mm厚。

（4）混凝土強度等級應分區段逐級遞減，最低強度等級不應大于C30；混凝土強度應根據墻厚和軸壓比限值綜合選用。

“北接松徑，南通巒雉，東以達虎角庵。游者之屨常滿，然而素桷茅榱，了不異人意。”[3]426此亭構造簡樸，一點也不吸引游者的眼球。然而登亭眺望，勝景撲面而來，使人油然而生山水魚鳥之情。

4 山地建筑結構優化

山地建筑優化應注重方案階段的優化，側重分析充分利用現狀地形進行場地設計，盡可能依山就勢，減少土方開挖和回填量，并關注支擋結構的優化。

筆者參與的某山地建筑低層住宅區項目，典型樓棟12#～15#樓優化前的剖面如圖1所示，前排建筑有10米左右的高填方，形成約20米的分級高邊坡，其中庭院擋墻高度8m，工程造價較大。

優化方式：將庭院擋墻后移至前排建筑后方（距離地下室外墻2米），將前排需要高填方的建筑下部采用架空方式，減小了前排邊坡支護高度，避免高邊坡，優化后的結構方案如圖2所示，由此庭院擋墻高度由8米降低為4.2米，大幅降低了支擋結構的工程造價，且住宅下方架空區可增設4米高拓展空間，可最大化減少土方回填量，另一方面，105平方米的拓展空間也增加了銷售賣點，產生了溢價空間。每棟低層住宅的擋墻長度約14米，僅考慮支擋結構和填方費用，優化前每棟樓總造價約100萬元，優化后總造價約56萬元，僅支擋結構和填方費用，每棟樓造價優化減少約44萬元，另外，架空層另需工程造價約12.5萬元。綜合考慮，不計由于增加拓展空間產生的產品溢價，每棟節約造價31.5萬元，經濟效益顯著。

圖2 優化后剖面圖

5 地基基礎設計優化

地基基礎占整個開發項目周期的25%左右，造價在項目總造價成本中占比約10%～25%，因此地基基礎的設計優化意義重大。而地基基礎的設計與造價與地質情況密切相關，而地質條件復雜多樣，應重點優化，控制成本。

地基基礎設計優化，應根據地勘報告、結構型式和結構荷載，合理選擇成本低、工期短、風險低的地基基礎型式，依次優先采用天然地基、復合地基、減沉復合疏樁基、預應力管樁或預應力空心方樁、預制方樁、鉆（沖）孔灌注樁。別墅項目，承載力較小，地質條件允許時，也可采用載體樁或內夯沉管灌注樁，較預應力管樁可減少約1/3的造價。基礎優化還應關注不同地區的經驗做法，如西安、青島地區習慣采用CFG樁復合地基，根據不同地質條件，CFG樁復合地基的承載力特征值可達到150kPa～500kPa，適用性較大且經濟性較好。

筆者審查的常德某項目有12棟高層住宅，其中25～27層住宅6棟、32層住宅6棟。擬建場地高層基底下圓礫④層承載力特征值fak為500kN，且以下土層良好（也均為圓礫層），基礎形式可采用天然筏板基礎，以圓礫④層作為持力層，但筏板下存在0.6m～2.75m不等的③層粉質黏土層（fak為160kN），且詳勘中表述③層普遍分布，呈可塑狀態，壓縮性高，強度低，工程力學性能較差，不能作為擬建建筑物的基礎持力層。因此，需要一定地基處理。

因擬建場地的④圓礫層有一定起伏，僅8#和12#樓筏板直接落在④層圓礫層，采用了天然筏板基礎，其他10棟樓底板下均分布有0.6m～2.75m厚度不等的③層粉質黏土層，原設計均采用直徑600mm的滿堂長螺旋鉆孔灌注樁，有效樁長11m～13m，經濟性較差，且灌注樁基礎施工周期較長。通過經濟性分析，超開挖深度不大于2.4m的樓棟采用天然筏板基礎（降底板標高至圓礫④層，內部回填素土設剛性地坪，回填深度較大時可采用架空層）的方案更為經濟。

而本項目僅有三棟樓基底下③層粉質黏土層的厚度超過2m，分別為5#樓（2.2m）、9#樓（2.75m）、10#樓（2.3m），而僅有9#樓（27層）平均超開挖深大于2.4m，采用灌注樁基礎較為經濟，其他樓棟均采用天然筏板基礎最為經濟。經成本分析，其中9棟樓的樁基礎優化為天然筏板基礎后，僅基礎單項造價成本節省240萬元，而且為項目建設縮短了工期。

地下車庫基礎方案的優化，當地基土承載力較高(fak≥200kPa)且底板下水頭較小(≤20kN/m2)時，地下車庫基礎采用獨立基礎+防水板形式較為經濟，防水板厚度根據水頭大小可選取250mm、300mm厚，獨基與防水板之間直坡連接。當地基土承載力較低(60 kPa≤fak＜200 kPa)時，地下車庫基礎采用帶柱墩的平板式筏板基礎經濟性更好。柱墩一般采用下柱墩形式，當底板上部需要設置較厚墊層時，盡可能采用上柱墩形式。柱墩與平板間采用60度加腋過渡處理。

當擬建場地內存在不均勻的較厚雜填土、魚塘、明暗浜等不良地質時，多層地庫的負二層宜設置在此區域，而高層建筑宜避開此區域，以減小地基處理難度和降低基礎造價。

筆者審查的西安某住宅一期項目，由5棟地上33層、地下1層的高層商住樓，16棟地上9～11層、地下1層的小高層住宅，以及1層地庫（局部2層）組成。擬建場地北側和西側區域地面下分布有大厚度（15m～27m）雜填土層，分布不均勻，原為大型取砂坑，后經人工回填，該區域內中細砂③層和中砂④層局部缺失。高層基底下雜填土厚度也達15m～22m，對地基處理難度影響很大。

本項目方案設計階段未考慮此不良地質的影響，5棟高層商住樓均布置在此大厚度雜填土區域，且局部兩層地下室也未設置在此大厚度填土區，地基處理極為不利，且工程造價較高，大幅增加了基礎處理費用和處理難度，原設計對1#～5#高層商住樓，采用孔內深層強夯SDDC工法處理雜填土+后插筋長螺旋鉆孔灌注樁基礎，樁徑600mm，樁長33米。

考慮到本項目的項目定位和產品組合情況已定性且難以調整，而局部2層地下室位置影響較小，可調性較大，筆者在地基基礎選型審查時建議：建議將局部兩層地下室移動至1#～5#高層商住樓、6#～8#洋房下的大厚度雜填土區，可減小地基處理深度，減小樁長，減小工程造價。對1#～5#高層商住樓，后插筋長螺旋鉆孔灌注樁基礎，每根樁長可優化減少約3.5m，節省工程項目成本。

6 結論

綜上所述，設計優化技術可通過降低造價成本，提升產品品質，并產生溢價空間，創造真實價值，設計優化并不以犧牲建筑功能和品質、降低結構安全度為代價，是降本、提質與增效的統一。工程設計和優化過程中應提高成本意識和優化意識，從荷載、材料、計算、地勘、結構、構件、構造等多方面、多層次、全過程開展，其中，由于方案設計影響項目造價成本的可能性為75%～95%，因此結構專業應提前介入，注重方案設計的概念優化，綜合考慮各方面因素，滿足建筑功能及品質要求，科學合理地降本提質增效。