淺析住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)及模型整體指標(biāo)調(diào)試措施

許振廣 潘柏兆

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510010）

近年來，由于房地產(chǎn)市場(chǎng)深度萎縮，開發(fā)商越來越注重工程經(jīng)濟(jì)性，要求設(shè)計(jì)單位在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下進(jìn)行限額設(shè)計(jì)。故而前期可通過調(diào)整結(jié)構(gòu)方案使結(jié)構(gòu)的整體造價(jià)降低，后期再調(diào)整結(jié)構(gòu)模型使各項(xiàng)指標(biāo)剛好滿足規(guī)范的最基本要求，從而達(dá)到安全性和經(jīng)濟(jì)性。這種調(diào)整過程，目前技術(shù)水平還沒有形成定型的算法，只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)定性調(diào)整。本文根據(jù)多項(xiàng)實(shí)際工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，簡要闡述了住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)以及電算模型的整體指標(biāo)調(diào)試措施。

1 住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.1 剪力墻布置原則

在住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，考慮到實(shí)用性和美觀性，住宅一般采用剪力墻結(jié)構(gòu)。而在剪力墻結(jié)構(gòu)中，剪力墻不僅是整個(gè)結(jié)構(gòu)材料用量的核心，其布置是否合理更加影響結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性及力學(xué)性能。剪力墻布置宜簡單規(guī)則、均勻?qū)ΨQ、強(qiáng)周邊弱中部，盡量在建筑凸角和樓電梯處設(shè)墻，優(yōu)先采用帶翼緣普通墻，少用一字墻和短肢墻，避免出現(xiàn)個(gè)別長度大于8m的單片剪力墻。同一方向的墻肢宜對(duì)齊布置，通過拉梁形成聯(lián)肢剪力墻，可以提高結(jié)構(gòu)的整體剛度[1]。

1.2 梁板布置原則

梁盡量設(shè)成連續(xù)梁形式，可以改善受力狀態(tài)，降低梁高，傳力直接。梁端盡量放在墻柱上，梁端部的墻盡量有出翼，以保證梁縱筋有足夠錨固長度。外圍周邊梁高宜按建筑墻身大樣做滿，以提高抗扭剛度，但飄窗處梁過高可能會(huì)導(dǎo)致梁端部的翼緣墻肢計(jì)算配筋過大，此時(shí)飄窗處不全做梁，可做成梁上反坎形式。

室內(nèi)盡量不露梁以滿足美觀要求，為此，梁應(yīng)設(shè)在有砌體墻處。不露梁優(yōu)先級(jí)：客廳＞餐廳＞主臥＞次臥＞過道＞廚房＞衛(wèi)生間，甚至有時(shí)不設(shè)梁，直接將砌體墻放在板上，如客廳和餐廳之間、廚房墻等處。不得已露梁處的梁高盡量控制500mm以下。

梁布置盡量將板劃分均勻，板跨3m～4m為宜，室內(nèi)板厚一般取100mm。核心筒處往往有管井，樓板內(nèi)水平管線較多，宜加厚樓板以適應(yīng)這種需求。而且樓電梯間開洞削弱了核心筒樓板剛度，根據(jù)JGJ 3-2010（高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程）（以下簡稱《高規(guī)》）[2]第3.4.8 條規(guī)定，宜采取加厚樓板的加強(qiáng)措施。還有《高規(guī)》第3.4.6條規(guī)定，樓板在某方向的最小凈寬度不宜少于5m，若核心筒室內(nèi)樓板不滿足，可在室外加飄檐以滿足要求。

1.3 構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)建議

混凝土和鋼筋強(qiáng)度等級(jí)的選用也會(huì)影響結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性。混凝土具有很強(qiáng)的抗壓性能，是豎向構(gòu)件軸壓比調(diào)整的主要選擇，非必要不采用加大截面方式調(diào)整軸壓比，較為浪費(fèi)材料。鋼筋建議采用高強(qiáng)度等級(jí)，性價(jià)比較高，如HRB400 螺紋鋼對(duì)比HPB300 圓鋼，雖然價(jià)格貴5%左右，但強(qiáng)度提高了33%。

剪力墻是住宅結(jié)構(gòu)材料用量的核心，僅鋼筋用量就占整個(gè)結(jié)構(gòu)55%左右，故配筋精細(xì)化是很有必要的。①建議底部加強(qiáng)區(qū)剪力墻盡量提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)或加大截面以減小軸壓比，只設(shè)構(gòu)造邊緣構(gòu)件而不設(shè)約束邊緣構(gòu)件，兩者差異僅箍筋用量就相差50%左右；②帶翼緣剪力墻實(shí)際為組合墻，應(yīng)在軟件參數(shù)里勾選墻柱配筋設(shè)計(jì)考慮翼緣墻；有設(shè)置帶邊框柱剪力墻時(shí)，還應(yīng)勾選墻柱配筋設(shè)計(jì)考慮端柱。若不勾選，軟件只會(huì)對(duì)每一片墻肢按照矩形截面單獨(dú)計(jì)算，不考慮翼緣墻作用，既不符合GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡稱《抗規(guī)》）[3]第6.2.13條規(guī)定，也不經(jīng)濟(jì)；③約束邊緣構(gòu)件配筋以剛滿足規(guī)范限值即可，建議采用大小直徑鋼筋組合方式。箍筋還可采用高強(qiáng)度等級(jí)，以減小體積配箍率，也可考慮墻身水平分布筋替換外箍作用。

梁板屬于受彎構(gòu)件，混凝土強(qiáng)度對(duì)構(gòu)件承載力影響不大，一般取C30即可，因?yàn)楦鶕?jù)GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第8.2.1條規(guī)定，不大于C25的構(gòu)件保護(hù)層厚度需加大5mm，即減小了受彎構(gòu)件的有效高度，導(dǎo)致配筋變大。梁板還可通過控制配筋率達(dá)到經(jīng)濟(jì)性目的，梁的配筋率可取0.8%～1.5%，板的配筋率可取0.5%～1.0%較為經(jīng)濟(jì)[4]。考慮到近幾年鋼材價(jià)格增加較多，而混凝土價(jià)格變化不大，配筋率取低值更為合適。

梁配筋時(shí)，跨度＞3m時(shí)，梁面筋可采用大小直徑搭接拉通；跨度≤3m 時(shí)，梁直接采用支座面筋拉通，方便施工。梁底筋可以采用部分不伸入支座的做法節(jié)省材料，注意梁端需滿足規(guī)范要求的底部與頂部鋼筋比值。

板配筋一般采用分離式，以下情況面筋需拉通：①厚度大于150mm的板；②溫度變化敏感的外露板，如屋面、陽臺(tái)和露臺(tái)；③防水要求高的板，如廚房和衛(wèi)生間；④受力復(fù)雜的板，如核心筒樓板、放置或懸掛重型設(shè)備的板（電梯機(jī)房等）；⑤位于較大洞口或者錯(cuò)層部位邊；⑥2m～3m短跨板；⑦懸挑板。此外，個(gè)別部位需加強(qiáng)配筋，如角板有豎向構(gòu)件的陰陽角處、異形板陰陽角、砌體墻下無梁時(shí)。

2 電算模型整體指標(biāo)調(diào)試措施

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，相關(guān)結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件已經(jīng)在建筑領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前，國內(nèi)主流的建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件有PKPM、YJK 和3D3S，PKPM 和YJK主要用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，3D3S主要用于鋼結(jié)構(gòu)。這三款軟件都根據(jù)我國相關(guān)規(guī)范要求內(nèi)置了大量參數(shù)，而且上手簡單、計(jì)算高效、結(jié)果判斷方便。

住宅結(jié)構(gòu)上機(jī)建模時(shí)，前期方案階段可以只建標(biāo)準(zhǔn)層，試算結(jié)構(gòu)各項(xiàng)指標(biāo)是否滿足規(guī)范要求，一般需要調(diào)試的整體指標(biāo)包括：位移角、位移比、周期比、剛度比、受剪承載力比、剪重比、剛重比、軸壓比。這八大指標(biāo)均可由軟件計(jì)算得出，并且會(huì)標(biāo)明指標(biāo)要求出處，本文不再贅述。當(dāng)不滿足規(guī)范要求時(shí)，軟件還會(huì)標(biāo)紅字體提醒設(shè)計(jì)師。計(jì)算結(jié)果不顯紅雖然滿足規(guī)范要求，但不一定經(jīng)濟(jì)，需要設(shè)計(jì)師根據(jù)規(guī)范調(diào)試計(jì)算模型，直至各項(xiàng)指標(biāo)盡量貼近規(guī)范限值以滿足經(jīng)濟(jì)性，這過程是比較花時(shí)間的，筆者根據(jù)多年設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)了各項(xiàng)指標(biāo)的調(diào)試方法。

2.1 位移角、位移比和周期比調(diào)試措施

位移角控制結(jié)構(gòu)的整體側(cè)向剛度；位移比主要控制結(jié)構(gòu)平面不規(guī)則性；周期比控制結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。三者存在一定的關(guān)聯(lián)性，一般先調(diào)整位移比，層間位移比變小伴隨著層間位移角變小，結(jié)構(gòu)的抗扭剛度相對(duì)于側(cè)移剛度變大。

位移比不滿足規(guī)范要求，說明結(jié)構(gòu)布置不規(guī)則，抗扭剛度相對(duì)較弱，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)破壞。對(duì)于這種情況，可以加強(qiáng)周邊構(gòu)件，特別是角部的豎向構(gòu)件，盡量削弱中部剛度，雙管齊下。同時(shí)，查看結(jié)構(gòu)的振型圖，確定結(jié)構(gòu)剛度較弱的一側(cè)，找出位移最大位置；然后，加強(qiáng)相應(yīng)位置的豎向構(gòu)件，或找出位移最小位置，削弱該位置的豎向構(gòu)件。

一般情況，位移比滿足了規(guī)范要求會(huì)伴隨著位移角和周期比也滿足。若層間位移角不滿足，則說明結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度較弱，可加強(qiáng)周邊豎向構(gòu)件以提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)性能。若周期比不滿足，則說明結(jié)構(gòu)的抗扭轉(zhuǎn)剛度相對(duì)抗側(cè)剛度來說較弱，容易使周邊墻柱產(chǎn)生很大的剪力，導(dǎo)致脆性破壞。總的調(diào)整原則是加強(qiáng)結(jié)構(gòu)外圈剛度，削弱內(nèi)筒剛度。結(jié)構(gòu)的第一、第二振型宜為平動(dòng)，扭轉(zhuǎn)周期宜出現(xiàn)在第三振型及以后，結(jié)構(gòu)在兩個(gè)主軸方向的動(dòng)力特性宜相近（周期比T1/T2≥0.8）。當(dāng)?shù)谝徽裥蜑榕まD(zhuǎn)時(shí)，說明結(jié)構(gòu)的抗扭剛度相對(duì)于其兩個(gè)主軸的抗側(cè)剛度過小，此時(shí)宜沿兩主軸適當(dāng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)外圍的剛度，并適當(dāng)削弱結(jié)構(gòu)內(nèi)部的剛度；當(dāng)?shù)诙裥蜑榕まD(zhuǎn)時(shí)，說明結(jié)構(gòu)沿兩個(gè)主軸方向的側(cè)向剛度相差較大，結(jié)構(gòu)的抗扭剛度對(duì)其中一主軸（第一振型轉(zhuǎn)角方向）的側(cè)向剛度是合理的，但對(duì)于另一主軸（第三振型轉(zhuǎn)角方向）的側(cè)向剛度則過小，此時(shí)宜適當(dāng)削弱結(jié)構(gòu)內(nèi)部沿“第三振型轉(zhuǎn)角方向”的剛度，并適當(dāng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)外圍（主要是沿第一振型轉(zhuǎn)角方向）的剛度。

2.2 樓層剛度比、受剪承載力比調(diào)試措施

樓層剛度比、受剪承載力比均主要控制結(jié)構(gòu)豎向布置的不規(guī)則性，避免結(jié)構(gòu)剛度沿豎向突變，形成薄弱層。兩者存在一定的關(guān)聯(lián)性，樓層豎向構(gòu)件剛度變化必然引起受剪承載力變化。剛度比還可用于判斷地下室結(jié)構(gòu)剛度是否滿足嵌固端要求以及判斷轉(zhuǎn)換層剛度是否滿足規(guī)范要求。

調(diào)試方法包含程序調(diào)整和人工調(diào)整。程序調(diào)整：軟件計(jì)算會(huì)自動(dòng)判斷出來薄弱層，并將薄弱層調(diào)整放大參數(shù)提供給設(shè)計(jì)師填寫，默認(rèn)值為規(guī)范值。人工調(diào)整：可適當(dāng)加強(qiáng)本層墻柱或梁的剛度或適當(dāng)削弱上部相關(guān)樓層墻柱或梁的剛度，受剪承載力不足時(shí)，還可通過增大柱箍筋和墻水平分布筋、提高混凝土強(qiáng)度或加大截面來提高本層墻柱等抗側(cè)力構(gòu)件的抗剪承載力。

2.3 剪重比調(diào)試措施

剪重比是指結(jié)構(gòu)任一樓層的水平地震剪力與該層及其上各層總重力荷載代表值的比值，一般是指底層水平剪力與結(jié)構(gòu)總重力荷載代表值之比。它是反映地震作用大小的重要指標(biāo)，在某種程度上也反映了結(jié)構(gòu)的剛度。剪重比太小，說明結(jié)構(gòu)整體剛度偏弱，水平荷載或水平地震作用下將產(chǎn)生過大的水平位移或?qū)娱g位移，不僅影響適用性，也存在安全隱患，故規(guī)范做出了最小限值要求；剪重比太大，說明結(jié)構(gòu)整體剛度偏大，會(huì)引起很大的地震內(nèi)力，不經(jīng)濟(jì)。此處的底層不包括地下室，是因?yàn)榈叵率屹|(zhì)量產(chǎn)生的地震力主要被室外的回填土吸收，故在計(jì)算結(jié)構(gòu)的最小剪重比時(shí)，可不考慮地下室部分。滿足最小地震剪力是結(jié)構(gòu)后續(xù)抗震計(jì)算的前提，即結(jié)構(gòu)的傾覆力矩、內(nèi)力和位移會(huì)隨著剪重比的調(diào)整而變化。

剪重比若不滿足規(guī)范，根據(jù)《抗規(guī)》第5.2.5 條文說明：①當(dāng)?shù)撞康卣鸺袅Σ恍∮谝?guī)范值85%時(shí)，可對(duì)當(dāng)層及上部所有樓層采用乘以增大系數(shù)的方法調(diào)整，軟件提供各樓層地震作用放大參數(shù)供用戶填寫；②當(dāng)?shù)撞靠偧袅π∮谝?guī)范值85%或多于15%的樓層數(shù)不滿足時(shí)，結(jié)構(gòu)選型和總體布置需重新調(diào)整，不能僅采用放大地震作用的方法處理。

2.4 剛重比調(diào)試措施

剛重比是指結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度與重力荷載設(shè)計(jì)值之比，是影響重力二階效應(yīng)的主要參數(shù)，主要控制結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載或水平地震作用下重力荷載產(chǎn)生的二階效應(yīng)不致過大，避免結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)倒塌。剛重比與結(jié)構(gòu)的側(cè)移剛度成正比，而周期比的調(diào)整將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)側(cè)移剛度的變化。因此，剛重比和周期比互相關(guān)聯(lián)，當(dāng)某主軸方向的剛重比小于規(guī)范下限值時(shí)，應(yīng)采用加強(qiáng)結(jié)構(gòu)外圍剛度的方法，特別是周期比接近規(guī)范限值時(shí)。規(guī)范上限值主要用于確定重力荷載在水平作用位移效應(yīng)引起的二階效應(yīng)是否可以忽略不計(jì)，設(shè)計(jì)師需根據(jù)軟件計(jì)算結(jié)果判斷是否考慮，若考慮則勾選程序提供的相應(yīng)選項(xiàng)，這樣程序計(jì)算時(shí)自動(dòng)計(jì)入重力二階效應(yīng)的影響。剛重比過大不能說明結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性較差，而是其他指標(biāo)如位移比、位移角導(dǎo)致的結(jié)果。

2.5 軸壓比調(diào)試措施

規(guī)范對(duì)墻、柱的軸壓比定義不同，剪力墻軸壓比指重力荷載代表值作用下墻肢承受的軸壓力設(shè)計(jì)值與墻肢全截面面積和混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值乘積的比值，而框架柱的軸壓力設(shè)計(jì)值還需考慮地震作用組合。限制墻、柱軸壓比主要是為了保證墻柱的塑性變形能力，即保證結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力，軸壓比不滿足說明結(jié)構(gòu)的延性無法保證，耗能能力減小。軸壓比過小，則說明結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性較差，優(yōu)先減小該墻柱的混凝土強(qiáng)度，不得已才減小墻柱截面，因?yàn)闀?huì)導(dǎo)致豎向剛度變小，從而影響位移比和位移角等指標(biāo)。同理，軸壓比過大，宜優(yōu)先適當(dāng)增大該墻柱的混凝土強(qiáng)度，再考慮加大墻柱截面。

對(duì)于框架柱，還可采用《抗規(guī)》第6.3.6 條規(guī)定的措施來提高軸壓比限值，最多增加0.15，原理是箍筋對(duì)混凝土的約束能夠提高混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度和混凝土的受壓極限變形能力。

3 結(jié)語

隨著國內(nèi)建筑業(yè)的快速發(fā)展，截至2023年底，中國城鎮(zhèn)化率已達(dá)65%，參考世界上其他發(fā)達(dá)國家的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)一個(gè)國家城鎮(zhèn)化率達(dá)到70%時(shí)，城鎮(zhèn)化將趨于穩(wěn)定，房建市場(chǎng)需求相應(yīng)減少，這意味著建筑業(yè)已然為夕陽產(chǎn)業(yè)，故而現(xiàn)在的房地產(chǎn)商相繼轉(zhuǎn)型別開生路或倒閉，開發(fā)商對(duì)工程成本把控也越來越嚴(yán)格，甚至把限額指標(biāo)寫入合同并作為考核設(shè)計(jì)單位水平指標(biāo)。因此，設(shè)計(jì)師應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)，時(shí)刻保持結(jié)構(gòu)精細(xì)化設(shè)計(jì)，否則會(huì)前功盡棄，因?yàn)橐坏﹥?yōu)化單位介入，必然要求重新優(yōu)化設(shè)計(jì)。為幫助業(yè)內(nèi)新手少走彎路，總結(jié)了多年的項(xiàng)目設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)并撰寫本文，希望能為我國住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起到參考作用。