高層住宅結構設計與優化

張明明，李四祥

（中南建筑設計院第四設計院，湖北 武漢 430071）

0 引言

隨著城市化進程加快，商業用地成本趨高，高層住宅日趨增多，為迎合建設方實現利潤最大化要求，需對高層住宅結構設計進行優化，以有效控制工程造價，實現最佳建造經濟與建筑質量的協調。

1 優化設計的重要性

用地成本居高不下，住宅設計取費標準不變，隨著市場競爭，定制產品設計品質和含鋼量指標成為衡量設計是否優秀的關鍵[1]，有些甚至與設計收費掛鉤。故在有限條件下合理優化，滿足安全適用、經濟合理、技術先進的要求，使建筑環境、使用功能最優化，提高空間利用率和提升居住品質。結構設計經濟合理，不僅利于設計企業的發展，而且可節約社會資源，實現未來的可持續發展。

2 高層住宅前期設計基本要求

2.1 方案設計階段——高層住宅建筑方案要求

建筑方案的好壞直接影響項目造價，因而結構設計需要在方案階段介入，整體配合把控。

2）控制建筑的規則性，平面布置時考慮豎向承重構件如剪力墻沿房屋x、y兩個方向均勻分布，且宜分布在單元端部附近、平面形狀變化處、管井與樓電梯間處，使結構平面形狀和剛度均勻對稱，質量中心與剛度中心盡量重合，避免單片剪力墻過長或局部剪力墻過于集中，以減小結構的扭轉效應。豎向布置方面，剪力墻貫通全樓高度，厚度依次遞減，盡量避免轉換等剛度突變。

3）保證房屋的最大高度、高寬比、伸縮縫間距均在規范允許范圍內，滿足規范要求。

4）復雜高層控制建筑立面設計，避免結構超限，平面過于凹凸，形成細腰，外立面減少不必要的外部線條，簡約的立面較為經濟。

2.2 擴初設計配合——指標控制

好的建筑方案是成功的開始，結構承擔實施角色。結構建模完成后輸入精細荷載，滿足靜力計算，還要考慮地震和風荷載的水平受力，使結構滿足現行規范的基本要求，并對軟件計算結果進行合理分析和判斷。

1）軸壓比 為保證剪力墻具有良好的延性和耗能性能，剪力墻墻肢軸壓比必須控制在合理的范圍，具體可采取調整墻肢長度和混凝土強度等級等措施。

2）周期比 作為結構設計的重要指標，規范中嚴格控制高層結構比值不應大于0.9，如果周期比不滿足，可通過增強周邊剪力墻墻肢長度、厚度或加大連梁高度，必要時，在非窗填充墻體位置設置雙連梁，并通過控制剪力墻數量和減小梁截面，減弱中部剛度，以實現增加扭轉剛度和平動周期，改善指標。

3）位移 需嚴格滿足高規要求，盡量避免把洞口開設在房間兩端，剛度適中情況下，層間位移角比較好滿足。必要時調整剪力墻長度、加大連梁截面或提高混凝土強度等級，層間位移比可通過改善周期比方式，整體協調改動局部變形較大的節點。

該系統采用ASP.NET開發語言環境，Visual Studio 2017開發工具，選擇SQL Server 2012為數據庫,根據江西服裝學院學生宿舍管理工作的實際情況，結合整個宿管工作人員的層次來確定系統的整個設計框架。數據庫中的表已經設計好了，下面將詳細說明該系統開發的步驟。

3 高層住宅優化設計要點

3.1 地下室結構方案比選

常規標配小區除主體住宅，還包括周邊裙房商鋪、售樓部、幼兒園、地下車庫等。相較上部，地下室結構施工周期較長，工程量和造價占整個結構的25%～30%，地下室設計合理與否成為整個設計的核心。根據甲方提供的車位配比、現場土方開挖工程量、場地地質條件、抗浮設計等方面因素，在方案階段需研究單層及多層地下室方案優劣、結構梁板方案比選、基礎及地下室抗浮設計方案比選，最終選擇最合適地下室結構的設計方案。

3.2 控制層高設計優化

在建筑規劃限制條件下，做好精細化設計，特別是地上地下管網綜合、小區消防平面布置和景觀設計，減少地面覆土等恒荷載和活荷載，控制地下室梁高，增加地下室凈高，并減少土方開挖及抗浮方面成本支出。上部標準層，層高不變，設備穿梁套管提前預埋，增加房間凈高，提高居住舒適度。在容積率要求不高的情況下，甚至可增加樓層層數，增加可銷售面積。針對面積較大的地下室，按頂部場地和各層排水趨勢，在滿足基本層高的前提下，各層可通過結構找單、雙坡，不但減少建筑找坡的混凝土量，進而優化地下室排水，還可節約土方開挖及建筑找平成本。

3.3 合理使用高強度等級混凝土和高強鋼筋

隨著環保節能要求不斷提升，鋼材產能過剩，新版國標要求使用高強度等級混凝土和高強鋼筋。常規設計6度區A級高度的高層住宅結構，如剪力墻結構豎向構件：33層，高度大于80m，剪力墻抗震等級為三級，混凝土等級C30～C45；27層，高度小于80m，剪力墻四級，混凝土等級C30～C40；18層，高度小于60m，剪力墻四級，混凝土等級C30～C40。地下室除主體相關的混凝土等級C35。豎向變截面與變混凝土錯開2層，先變截面，后變混凝土。可見，現有住宅主要是剪力墻結構或框支剪力墻，按照80m或60m的限制對結構材料、含鋼量等影響很大。

樓板配筋按照最小配筋率和強度計算，板跨越大，采用HRB400級以上的高強度鋼筋，節省的鋼筋數量越明顯，有效降低住宅含鋼量。因此，選擇合理使用高強度等級混凝土和高強鋼筋，會使房建綜合成本明顯降低。

3.4 構件設計

3.4.1 柱

縱筋按計算，不放大，應考慮上下層縱筋的施工及合理性，避免大小直徑交錯放置。箍筋按計算，滿足構造，需全高加密的再加密，φ8和φ10不同直徑可在同一截面混用。

3.4.2 剪力墻

《高規》規定墻厚大于300mm的剪力墻不是短肢剪力墻；而設計上墻肢高厚比5～8，墻厚大于300mm的剪力墻，仍應按短肢剪力墻設計（當軸壓比較大時，應嚴格執行；當軸壓比較小時可適當放松）。合理布置是根據經驗，純住宅樓地下室以上1～10層墻厚約300mm，10層以上墻厚為250～200mm遞減。剪力墻混凝土等級從下到上逐步遞減。因計算位移、軸壓比要求，為盡量減少混凝土墻厚度，按照10mm為模數增加，如可采用220，260mm。避免短肢剪力墻，盡量不要設“一”字剪力墻。同時減少剪力墻數量，控制主肢墻長為1 600mm（200mm 厚墻），1 760mm（220mm 厚墻），2 000mm（250mm 厚墻），墻長不宜大于8m。

根據《全國民用建筑工程設計技術措施》（2009版）結構（地基基礎）第5.8.7條：結構厚度不應小于250mm；當地下室外墻外側有防水保護時，鋼筋保護層厚度可取25mm，當鋼筋保護層厚度較大時，應采取防裂措施。故計算地下室外墻鋼筋保護層厚度取25mm，裂縫寬度≤0.2mm。土壓力按靜止土壓力，K0＝0.5；當地下室采用護坡樁或連續墻支護時，K0＝0.5×0.66＝0.33；配筋計算時外墻的側向壓力分項系數可取1.3。計算地下室外墻的側向壓力，如土壓力、水壓力時，如其水頭高度已確定，不應再乘以放大系數。計算地下室外墻時，一般室外活荷載可取5kN/m2（包括可能停放消防車的室外地面）。有特殊較重荷載時按實際情況確定。

3.4.3 梁

作為水平傳力構件，主樓框梁配合豎向構件布置，做到傳力路徑簡單直接，圖面清爽[2]。通常為提高標準層凈高，需控制梁的高度，通過調整豎向構件長度優化梁長，尤其是關鍵控制部位（如走道、大空間房間）優先保證。配筋要求如下。

1）主梁 縱筋直徑盡量選擇φ14、φ16、φ18。對于跨度較小、標準層等受力較小區域，優先采用單向梁布置，不但便于設備專業走管、消防照明等要求，相較雙向梁經濟上還降低約10%。架立鋼筋可按規范要求配置，建議直徑不應小于10mm，當梁跨度大于6m時，直徑不宜小于12mm。箍筋、腰筋按計算配置并滿足規范構造要求，若局部箍筋較大時，應僅在所需位置加大（在施工圖中注明），不應全跨加大箍筋。

2）次梁 為滿足錨固要求，建議端部點鉸，梁面、梁底鋼筋直徑不應超φ16。較大跨度次梁，拉通筋改為2根架力鋼筋；較小跨度次梁，設計時盡量取較小的鋼筋拉通；箍筋受力較小時采用φ6@200，同時保證箍筋間距不大于梁寬，腰筋滿足規范要求不放大；平面較小跨梁可取消，改在砌體墻下板底附加鋼筋。

3）連梁 滿足計算即可，不放大。

4）懸挑梁 內力分析要準確可靠，懸挑梁底部鋼筋改用小直徑。標準層可根據計算結果，梁配筋分層可細化，同一根梁個別樓層配筋較大時可單獨列出。

對于地下室樓蓋，迎水面要求防水板板厚不小于250mm，密肋梁和井字梁內板的承載力未充分發揮，經濟上不劃算。為滿足結構凈高要求，有時采用無梁樓蓋，近年來，因發生數起無梁樓蓋坍塌事故，采用較為謹慎。通過田繼平[3]類似案例分析及比較，可知梁板式-大板結構經濟性較好，也便于施工，故高水位地區優先選用大板方案。

3.4.4 板

通常標準層臥室、客廳樓板板厚根據跨度定：L＜2.7m：90mm；2.7m≤L＜3.6m：100mm；3.6m≤L＜3.9m：110mm；3.9m≤L≤4.2m：120mm；L=4.5m：140mm；刀把形樓板：厚度按異形板計算結果確定，樓板厚度120～150mm；而因懸挑結構計算配筋較大，建議飄窗改為挑梁。特別需加強的部位樓板如樓電梯間板板厚不小于120mm，鋼筋采用雙層雙向，配筋率0.25%，公共走道板板厚120mm，建議采用分離式配筋。建筑端部為一字墻（含200mm小墻肢）樓板板厚120mm，筋采用雙層雙向，垂直剪力墻方向雙層配筋率≥0.25%，平行剪力墻方向雙層配筋率≥0.20%，還有屋面板及較小的板（板跨小于2m）如廁所、廚房、管井等，其余樓板如陽臺板等板面鋼筋盡量采用分離式，且板厚≥100mm。異形板陽角處，應在板面附加放射鋼筋，不小于5φ8@200，長度為板短跨1/3。

3.4.5 地下室樓梯

消防要求梯板縫中設砌體墻時，應有一側梯板蓋過砌體墻頂部。

3.5 后澆帶設置

由于地下室頂板、底板超長，為控制溫度應力，應每40m左右設伸縮后澆帶。主樓與裙房之間沿主樓四周設沉降后澆帶，而主樓標準層避免設置后澆帶。北京某住宅平面長度達80.90m，通過局部加強和采用后澆帶施工措施等證明方案可行。

此外，隨著科學技術發展，加速運算的自動化程度，設計師要積極吸收先進的設計理念，運用BIM等技術，在三維空間下配合其他專業進行可視優化。

4 工程實例

武漢某小區1號主樓地上29層，總高度87.60m，剪力墻結構，抗震等級為三級，主樓基礎部分采用1 800mm厚筏板基礎，其他部位基礎采用直徑為190mm抗浮錨桿+柱下獨基+350mm厚防水板。頂板主樓范圍外頂板標高為-1.500m，采用梁板結構（板厚300mm）方案。地上首層結構層高4.05m+標準層3.00m。由于設計人員習慣不同，該單體含鋼量偏高。參照甲方預算指標，按照墻、梁、板優化要求僅對構造進行局部優化，主體結構（不包括二次結構）含鋼量減少約4kg/m2。此外，地下室基底為隔水土層，無承壓水，周邊僅為上層滯水，故抗浮優化設計采用泄水抗浮技術，取消抗浮錨桿和減薄底板壓重。通過設置盲溝、積水井收集地下水，在通過場區地勢高差自動或抽排方式并入市政管網，使本工程區域水位適當降低，工藝簡單，經濟效益明顯。

5 結語

設計人員應嚴格按照規范條文，從方案階段介入設計，科學結構選型、優化平面布置、精選荷載、理性分析計算結果直至完成設計，實現整個住宅結構設計的安全與經濟性，滿足建設方實現利潤最大化要求。