高層住宅混凝土結構設計與優化分析

余文韜

（翰林（福建）勘察設計有限公司，福建 福州 350001）

高層住宅是城市發展到一定階段的產物，它不僅為人們擋風遮雨，也是人們日常生活的重要組成部分。在人類的住宅發展過程中，建筑造型越來越多元化，建筑的功能也越來越人性化。如何更好地實現建筑師的高層住宅設計意圖，是結構工程師在結構設計和優化中需解決的關鍵問題。

1 高層建筑的結構特征

高層住宅在進行結構設計時，主要要考慮豎向荷載和水平荷載兩個因素。其中豎向荷載主要包括結構本身自重、施工或建成使用中的活荷載以及豎向地震作用等；水平荷載主要包括風荷載和水平地震作用。豎向荷載作用下的受力情況相對簡單，根據傳統的力學知識即可進行分析設計，但水平荷載作用下的受力情況相對復雜，而且對高層住宅的結構起控制作用的往往是風荷載和水平地震作用。

2 結構設計優化的要點

結構設計優化可分為方案設計階段及施工圖設計階段。在方案設計階段，結構工程師應確定結構體系，結合建筑功能確認合理的結構布置；在施工圖設計階段，則主要是考慮控制結構施工的可行性。因此，前期方案階段對高層住宅造價的影響最大，施工圖階段重點只是根據不同工程師的設計習慣把控配筋量。根據工作經驗，筆者簡要歸納出結構設計優化的幾個要點。

2.1 結構體系的選擇

目前，普通高層住宅常用的結構形式有框架結構、剪力墻結構、框架剪力墻結構等。框架結構是指由梁、柱組成框架來抵抗水平荷載和豎向荷載的結構形式。其特點是空間布置靈活可改造性大，結構自重輕，但也存在剛度較差、抗側力能力弱等缺陷，對水平荷載承載力較低，所以普遍用于低烈度且對住宅品質要求不高的小高層結構。

剪力墻結構是現在高層結構中最常使用的結構體系，指的是由抗側剛度大的鋼筋混凝土墻體承受全部水平荷載和豎向荷載的結構形式。其特點是結構體系剛度較大，空間整體性能較好，且呈現出良好的抗震性能，但剪力墻結構中的墻體不像框架結構填充墻可拆除，不能形成大空間，不利于用戶后期使用功能改造。

框架剪力墻結構的受力特點兼有框架及剪力墻結構體系的優點，即在剪力墻結構中布置一定數量的框架柱，這種結構布置及使用上比剪力墻結構靈活、方便，剛度及抗震能力上比框架結構有著明顯的提升，但其抗側剛度不如剪力墻結構體系，所以主要還是用于低烈度高層中。

綜合經濟性及住宅的品質要求，筆者認為6度、7度、8度區，高度≤80m建議采用剪力墻結構或少柱剪力墻結構；6度區，高度≤60m可采用框剪結構。

2.2 合理結構布置

高層住宅在方案階段往往為了迎合開發商的需求，刻意追求戶型而忽視了結構的合理性，這樣不僅增加結構造價，而且常常使局部構件受力集中，結構體系不合理。如下案例：某住宅為7度區（0.1g）、地震分組二組、二類場地、基本風壓0.8kN/m2的32層高層住宅，方案階段結構工程師為了滿足建筑及規范的要求，布置剪力墻偏多且無法拉通，剪力墻的傳遞水平力效率低，結構布置不合理（見圖1）。筆者在校審時與建筑師溝通，調整部分房間開間尺寸，使剪力墻盡量拉通，增加分戶墻厚度，去除部分戶內剪力墻（見圖2）。調整后的結構布置，傳力途徑清晰明確且建筑空間和功能沒有被破壞，得到建筑師及業主的認可。

圖1 方案階段結構平面布置圖

圖2 調整后結構平面布置圖

2.3 建筑高寬比

基于人們居住習慣，大部分業主喜歡南北通透的戶型，所以目前很多住宅的戶型都采用“板式”結構，導致很多高層住宅的高寬比較大。雖然規范中對建筑的高寬比沒有明確的限制，但高寬比是影響結構設計經濟性的一個重要指標。結合以下幾個實際項目（見表1），可知高寬比超過《高層建筑混凝土結構技術規程》規定越大，結構的經濟性越差。根據筆者的經驗，為了確保結構的經濟性，高寬比應盡量控制在最大高寬比1.3～1.5倍。

表1 不同高寬比經濟性對比

2.4 柱墻率

柱墻率指的是標準層豎向構件截面面積總和占建筑標準層使用面積的百分比。在高層住宅中，構件用鋼量豎向構件∶梁∶板約為2∶1.5∶1，由此可見，豎向構件的用鋼量是最多的。由于過多的豎向構件會影響建筑空間功能布置，所以在結構設計優化中控制豎向構件的面積數量對住宅的經濟性、使用性有明顯的作用。根據筆者的工作經驗，總結如下的柱墻率（見表2）。

表2 不同地震烈度、加速度（風壓）柱墻率建議

2.5 嵌固端的選擇

現在的高層住宅往往都有大底盤地下室，如何選擇嵌固端對建筑結構的經濟性及合理性起到重要作用。《建筑抗震設計規范》及《高層建筑混凝土結構技術規程》中對嵌固端的要求較高（主要是地下室與地上一層的剛度比），所以很多結構工程師習慣將嵌固端設置在地下室底板。但這種計算模型的假定所得出的嵌固端僅為計算嵌固端，筆者認為不妥。嵌固端為預期出現塑性鉸的位置，大底盤的地下室即使通過計算無法滿足規范嵌固要求，但實際還是對結構起到嵌固作用。根據筆者的經驗，在選取嵌固端的時候應結合實際情況，盡量將嵌固端取到地下室頂板，實在無法滿足剛度比的情況下，應按嵌固在頂板（實際嵌固端）與嵌固在地下室底板（計算嵌固端）兩個計算模型進行包絡設計。

3 結束語

總的來說，隨著我國經濟發展人民生活水平的提高，對高層住宅的品質、功能要求越來越高，高層住宅的發展趨勢越來越國際化，設計樣式越來越多，這對高層住宅的結構設計優化提出了更高的要求和挑戰，高層住宅的結構設計難度也越來越大，結構設計受重視的程度日趨提高，在一定程度上將確保各類建設項目的順利運行。