高層LOFT公寓結構優化設計實例分析

辛曉鵬 張媛媛

【摘要】本文通過對一高層LOFT公寓的結構體系、地基基礎和地下室樓蓋進行結構方案的對比分析，探討此類結構的優化設計方法 ，為此類公寓結構的優化設計提供一定的參考。

【關鍵詞】 結構體系;加腋板;基礎優化

建筑行業競爭日益激烈，如何在保證建筑結構安全、功能合理的前提下，最大限度的為開發商節約投資成本，這就需要對建筑結構設計進行優化及分析探討。

建筑結構設計的前期方案會直接影響建筑項目的總成本，而結構優化往往在建筑前期并不參與其中，以致前期方案不注意結構的合理性和可行性，增加了結構設計的難度。為此，設計人員應在建筑前期進行結構體系、地基基礎等結構方案的優化設計，使其能更好地滿足建筑功能需要及使用舒適度的要求，有效的節約投資成本。

1、工程實例

本工程為鄭州航空港區一個高層LOFT公寓項目，地上16層，層高5.09m，建筑高度76.65m。標準層典型房間4.2X8.4m，建筑平面布局回字形，平面布置較規則。地下兩層，負一層層高3.5m，覆土1.5m，負二層層高3.3m。地下水位較淺，為地面下2.5m。

2、結構體系優化

根據建筑平面布局及功能需要，本工程建筑初步方案階段采用框架-剪力墻結構體系。設計后期，擬對結構體系進行優化，對框架-剪力墻和剪力墻結構體系這兩種方案進行試算對比。

本項目采用YJK計算軟件對兩種方案計算分析，根據計算結果可知，兩種方案的位移均宜控制，而周期比差別較大。框架-剪力墻結構最大周期比為0.92，剪力墻結構最大周期比0.81，而《高規》規定周期比不得大于0.9。由于本工程特點為內部核心筒剪力墻在建筑平面中居中，外圍框架梁由于夾層采光需要不能做高，如采用外圍框架體系抗扭剛度較小，周期比難以控制。采用T形截面剪力墻能有效增大結構的整體抗扭剛度，周期比較宜控制。同時，設計T形截面剪力墻時，注意控制墻翼緣長度，不能影響地下室停車位，可以采用加厚墻體厚度的方法來控制軸壓比。由于LOFT公寓帶夾層，總荷載較大，如采用框架柱底部幾層柱截面較大，對公寓空間使用有一定影響，而采用T形剪力墻底部墻厚300mm即可滿足要求，能得到更舒適的使用空間。可見，從結構計算及建筑使用功能上講，本工程采用剪力墻結構體系為更優的方案。

3、夾層荷載優化

本工程Loft公寓夾層部分考慮防火、凈高、荷載等因素，考慮采用三種方案。

方案一：在公寓夾層處增設混凝土圈梁，夾層擬采用H型鋼，其高度為150mm，翼緣寬度為75mm，上鋪60mm厚的鋼筋混凝土預制板。該方案施工方便，舒適度較好，但夾層厚度完成后超過250mm，凈高有一定影響。

方案二：在公寓夾層處增設混凝土圈梁，待主體結構封頂后再植筋澆筑100mm厚的鋼筋混凝土板作為公寓夾層樓板。該方案結構自重大，結構模型計算復雜，且需現場攪拌混凝土，不利于后期改造施工。

方案三：在公寓夾層處增設混凝土圈梁，夾層擬采用H型鋼做主次梁，內部采用角鋼，在H型鋼及角鋼上方鋪設20mm厚的加筋水泥纖維壓力板，該方案能夠控制夾層厚度，梁下凈高較大，且荷載較小，能有效減小墻柱截面，后期改造施工方便。

綜合考慮防火、凈高、荷載等因素，夾層優選采用鋼龍骨+水泥纖維壓力板做法，結構計算考慮恒荷載1.0kN/m2。

4、地基基礎優化

本工程由于均為LOFT公寓，層高較大，荷載較大，采用筏板基礎較為合適，能更好滿足沖切及地基承載力的要求，初步設計時采用地基基礎布置方案一（圖3）。本工程特點為剪力墻布置間距較大，傳給筏板的荷載分布不均勻，接近條狀分布。根據荷載條形分布的特點，及樁宜直接布置墻下傳力直接且減小筏板配筋的原則，對筏板基礎及CFG樁進行優化設計。筏板開洞優化后為地基基礎布置方案二，由圖4可知，筏板接近條形基礎，能滿足承載力及沖切要求，同時由于基礎受基底反力面積減小，墻邊基底反了產生的彎矩變小，能減小筏板受彎鋼筋。可見，方案二能有效減小了筏板基礎面積及樁的個數，減小耗鋼量及混凝土用量的同時使筏板受力更均勻更合理，是更優的方案。

5、地下室樓蓋優化

本項目為兩層地下室，且根據地質報告資料可知地下水位較淺，考慮到減少土方開挖量和基坑支護費用，不采用降水方案等因素，應采用減小梁截面高度和地下室層高的結構方案，擬采用密肋空心樓蓋和加腋大板這兩種有效減小梁高的方案，梁高均采用600mm。加腋大板板中間部位板厚250mm，板跨邊加腋至500mm。密肋空心樓蓋板厚130mm，肋高600mm。

采用有限元軟件YJK盈建科建立加腋大板模型。由于加腋板厚度較高，為500mm，計算梁時可考慮板的面外剛度對梁變形的有利影響，因此宜考慮梁板的共同變形作用。樓板按彈性板6參與整體計算，板元細分長度1m，彈性板荷載導算采用有限元導荷，考慮梁與彈性板變形協調整體計算配筋。

根據計算結果可知，梁跨中存在軸拉力，為拉彎受力，梁端處存在軸壓力，為壓彎受力。由于計算梁內力時，考慮了板面外剛度的有利貢獻，其彎矩及變形比常規的梁板計算要小很多，但是在梁配筋時要考慮軸力對配筋的影響。

采用YJK盈建科有限元軟件對加腋大板樓蓋和密肋空心樓蓋進行計算分析對比。這兩種樓蓋均采用彈性板6進行有限元分析。取典型跨8.1x8.1m，在相同荷載下，恒載27 kN/m2（覆土1.5m），活載16kN/m2（考慮消防車荷載）的計算模型進行計算對比分析。對于加腋大板方案，由于板彎矩及軸力分布差別很大，板有限元配筋結果分布不均勻，為了達到經濟且受力合理的目的，本工程采用板帶式分塊配筋，局部配筋見施工圖5。密肋空心樓蓋也采用無梁樓蓋板帶式分塊配筋。通過繪制施工圖并統計每平方鋼筋用量和混凝土用量見表1。

由統計結果可知，加腋大板考慮梁板共同作用且按有限元結果板帶式分塊配筋時，與密肋樓蓋體系相比，其耗鋼量較小，混凝土用量與密肋樓蓋相差不大。而考慮到密肋樓蓋體系頂板較薄，防水性能稍差，且模殼較貴，綜合造價比較高，且模殼有年久損壞掉落的缺點。而加腋大板體系，樓板較厚，考慮梁板共同變形作用及拱的有利作用，受力更加合理。可見，合理配筋的加腋大板樓蓋體系為更優方案。

結論：

（1）高層LOFT公寓開間較大且規則時，結構體系可采用剪力墻結構，能有效增大結構抗扭剛度，控制周期比。且基礎宜采用條形筏板基礎優化設計，使筏板更經濟受力更合理。

（2）加腋大板樓蓋在考慮梁板共同變形作用，且考慮加腋板的拱有利作用時，能有效減小梁高。同時，如果按有限元結果板帶式配筋時，是一種更加經濟合理的地下室樓蓋體系。

（3）綜合考慮防火、凈高、荷載等因素，夾層采用鋼龍骨+水泥纖維壓力板做法，能有效減小夾層荷載，有效控制墻柱截面及基礎厚度。

參考文獻：

[1]JGJ3-2010高層建筑混凝土結構技術規程[S].

[2]GB50011-2010建筑抗震設計規范[S].

[3]彭麗紅，張元坤，彭勃.加腋整間大板結構的設計及應用[J].廣東土木與建筑，建筑結構，2008（7）.

作者簡介：

辛曉鵬，鄭州市建筑設計院，河南鄭州;

張媛媛，中赟國際工程股份有限公司，河南鄭州。