第四代住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)淺析

朱敏 湖南省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司

1 前言

第四代住宅是將森林和城市建筑結(jié)合，把園林搬到空中，也稱庭院房、城市森林花園建筑或者立體園林生態(tài)住房，最初由清華大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院提出。其主要特征是：每家每戶都有私家庭院，可種花、種菜、養(yǎng)鳥，讓現(xiàn)代人生活在綠色生態(tài)環(huán)境中。歷經(jīng)“茅草房”、“磚瓦房”、“電梯房”之后，住房第四次更新迭代，四代住宅不僅能滿足人們的身體需求，更注重現(xiàn)代人的精神需求，綠色生態(tài)環(huán)境豐富人們的休閑生活，使家變成家園，使城市變成園林，達(dá)到人與自然和諧共生。隨著時(shí)代的進(jìn)步，技術(shù)手段的提升，充滿綠色氣息的庭院不僅可以滿足住戶的精神需求，更能為城市增添綠色，改變城市風(fēng)貌，調(diào)節(jié)局部微氣候，第四代住宅的市場(chǎng)前景值得期待。

第四代住宅是符合人們居住需求的產(chǎn)品，近年來，已經(jīng)有多個(gè)城市開始建設(shè)這種住房，但是實(shí)際設(shè)計(jì)建設(shè)中還存在很多問題需要解決，比如，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)滯后、建設(shè)成本高等。第四代住宅，基于綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)，需要建設(shè)大面積的庭院，庭院覆土深度甚至需要達(dá)到1m以上，相對(duì)普通住宅建筑來說，荷載很大，并且分布不均；為滿足采光以及良好的觀感需求，建筑方案傾向于設(shè)計(jì)大懸挑庭院。這些建筑功能要求，加大了四代住宅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度。結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)對(duì)四代住宅的使用感、結(jié)構(gòu)安全起著至關(guān)重要的作用，相關(guān)設(shè)計(jì)方法的優(yōu)劣值得研究，設(shè)計(jì)方案也亟待優(yōu)化。

大懸挑的庭院結(jié)構(gòu)方案，目前主要有斜撐和框架柱兩種方案。框架柱方案受力明確清晰、施工方便，但是框架柱對(duì)庭院的采光、視野形成了部分遮擋，對(duì)使用感和建筑效果有一定的影響。斜撐方案采用斜柱支撐在相鄰的剪力墻端柱上，對(duì)庭院的遮擋較小，但是斜柱的受力較為復(fù)雜，在實(shí)際施工中需以柱邊梁底定位且存在斜交角度，實(shí)際結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型存在差異，斜交位置鋼筋直徑大，鋼筋多，錨固長度大，混凝土振搗困難，施工難度大，施工質(zhì)量難以保證。

本文擬針對(duì)深覆土的大庭院，對(duì)比斜撐和框架柱兩種方案的適用性，擬采用盈建科建模計(jì)算，對(duì)比結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)、含鋼量等，希望通過結(jié)果分析，給四代住宅的設(shè)計(jì)提供一定的參考。

2 算例計(jì)算

擬計(jì)算住宅抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，特征周期為0.35s。基本風(fēng)壓0.40kN/m2，承載能力極限狀態(tài)計(jì)算時(shí)考慮放大系數(shù)1.1，地面粗糙度類別C類，基本雪壓0.55kN/m2。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)二級(jí)。地下2層，地上25層，首層層高4.6m，標(biāo)準(zhǔn)層層高2.95m，建筑高度75.5m。住宅共一個(gè)單元，每層4戶，每戶均設(shè)置私家庭院，庭院覆土深度1m，可種樹養(yǎng)花，庭院分奇偶層在不同位置設(shè)置。

圖1~圖2為框架柱方案平面布置圖，圖3~圖4為斜撐方案平面布置圖。框架柱方案在庭院位置布置了10根框架柱，減少了庭院懸挑的長度，其中8根框架柱為圓柱，具有裝飾美化作用。斜撐方案取消10根框架柱，改為斜撐，對(duì)應(yīng)位置剪力墻厚度增至600mm~800mm，庭院視野無遮擋，觀感較好。

本文采用盈建科結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系列軟件（YJKS3.1.1）對(duì)兩種方案進(jìn)行建模計(jì)算，嵌固端取在地下室頂板，荷載根據(jù)建筑使用功能按GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》進(jìn)行選取。圖5~圖6為兩種方案盈建科模型。

經(jīng)過計(jì)算，在規(guī)定水平力作用下，兩種方案的結(jié)構(gòu)底層框架部分承受的地震傾覆力矩與結(jié)構(gòu)總傾覆力矩的比值如表1所示，根據(jù)JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第8章，8.1.3條第2款，當(dāng)框架部分承受的地震傾覆力矩大于結(jié)構(gòu)總傾覆力矩的10%但不大于50%時(shí)，按框架?剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。故框架柱方案按照框架?剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，剪力墻和框架抗震等級(jí)均為二級(jí)；斜撐方案按照剪力墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，剪力墻抗震等級(jí)三級(jí)，框架部分抗震等級(jí)二級(jí)。

表1 框架部分地震傾覆力矩比值

結(jié)構(gòu)計(jì)算指標(biāo)如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)計(jì)算指標(biāo)對(duì)比

從結(jié)構(gòu)計(jì)算指標(biāo)可以看出，框架柱方案自振周期較小、位移角較小、剛重比較大，框架柱方案的剛度比斜撐方案大。斜撐方案的最大位移角已經(jīng)接近規(guī)范要求的1/1000上限，而框架柱方案的最大位移角，距離框架剪力墻結(jié)構(gòu)的規(guī)范要求1/800有一定的富余，故框架柱方案還可以做一定的優(yōu)化。

根據(jù)盈建科計(jì)算結(jié)果，在軟件中統(tǒng)計(jì)地上部分的混凝土及鋼筋用量，如表3所示。因未考慮部分構(gòu)造做法及配筋調(diào)整，且未考慮基礎(chǔ)及地下部分，本表并非真實(shí)的用鋼量，僅用于此文中兩種分案的對(duì)比。從表中數(shù)據(jù)可以看到，兩種方案的含鋼量和混凝土方量的差異都在3%左右，綜合來看，兩種方案的經(jīng)濟(jì)性差異不明顯。

表3 兩種方案經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

3 結(jié)果分析及結(jié)論

由上述計(jì)算結(jié)果可見，兩種方案的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比差異不大，但是結(jié)構(gòu)體系不一樣，結(jié)構(gòu)安全、施工難度方面存在差異，主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面。

（1）框架柱方案。剪力墻和框架的抗震等級(jí)均按二級(jí)設(shè)計(jì)，理論上此方案含鋼量會(huì)較斜撐方案大幅提升，但是計(jì)算結(jié)果顯示，含鋼量差異不大，同時(shí)斜撐方案混凝土方量較框架柱方案略大。綜合來看，經(jīng)濟(jì)性差異不明顯。

（2）框架柱方案。為框架?剪力墻結(jié)構(gòu)，框架?剪力墻結(jié)構(gòu)有剪力墻、框架兩道防線。相對(duì)于斜撐方案，框架柱方案多了框架這一層保障。在經(jīng)濟(jì)性差異不大的前提下，框架柱方案能獲得更大的結(jié)構(gòu)剛度，且框架柱方案?jìng)髁η逦瑢?duì)結(jié)構(gòu)安全更有利。

（3）斜撐方案。由于斜柱的布置，可能產(chǎn)生抗震薄弱部位。而斜柱相關(guān)的研究工作還較少，設(shè)計(jì)規(guī)范中也缺乏相應(yīng)規(guī)定。在實(shí)際項(xiàng)目中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的做法也是各不相同。而且斜撐方案在設(shè)計(jì)建模中斜撐的支撐點(diǎn)位置按節(jié)點(diǎn)控制，與實(shí)際施工的位置不完全一致，實(shí)際使用過程中的傳力途徑和內(nèi)力情況與計(jì)算結(jié)果可能會(huì)存在差異。斜撐方案在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段存在一定的安全隱患。

（4）框架柱施工工藝成熟，施工質(zhì)量能夠得到保證。而斜柱施工難度大、施工精度要求高，在施工過程中存在很多困難，具體包括以下幾點(diǎn)：①模板支架需承載鋼筋混凝土垂直方向的重力及水平方向的推力，對(duì)其強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性均有更高的要求；②斜柱及其鋼筋的傾斜角度在實(shí)際施工中很難把控，只能通過控制斜柱與水平面、垂直面的交點(diǎn)位置間接控制，對(duì)施工精度要求高；③斜柱通常長度比較大，配筋多，鋼筋直徑大，在混凝土澆筑時(shí)，振搗困難，易造成柱面蜂窩麻面甚至爛根現(xiàn)象。即斜柱施工在鋼筋制作、綁扎、定位、保護(hù)層控制、模板支架、混凝土振搗等方面均存在較大難度，施工質(zhì)量難以得到保證。

4 結(jié)束語

綜上所述，兩種方案經(jīng)濟(jì)性差異不大，雖然斜撐方案觀感更好，但是在設(shè)計(jì)階段，斜柱計(jì)算缺乏可靠的理論支撐，施工階段也存在困難；而框架柱方案理論成熟，施工方便。建議在建筑方案設(shè)計(jì)階段，在滿足建筑使用功能的前提下，優(yōu)先布置框架柱，適量采用斜撐，以確保結(jié)構(gòu)安全。