复杂建筑结构优化设计

□文/朱黎蓬 张书鸳 杜恩阁

随着社会的进步和经济的发展，人们对建筑使用功能和外观艺术性的要求不断提高，建筑平面形状和立面体形日趋复杂，结构形式呈现出复杂多变的趋势，与此同时基坑越挖越深，越来越大，深度达20～30 m的基坑越来越多并且基坑场地紧张，有些地方紧邻红线，周边几无施工场地，基坑周边环境复杂敏感，邻近大量管线、建筑与地铁构筑物，施工难度大，要求较高，另外，业主对工期及成本皆有较为严格的控制，这都给结构设计提出了较大的挑战，要求广大设计人员付出更多的努力，进行更深入摸索与实践。

1 工程概述

工程为一国际知名酒店管理集团旗下高端品牌酒店，紧邻地铁沿线，总建筑面积5.7万m2，其中地上面积3.7万m2，地下面积2万m2，由21层高塔楼与4层高裙房组成，设置3层地下室，两者地下连成一体，地上通过抗震缝一分为二。塔楼主体高90 m，采用框架-核心筒结构体系，裙房高21 m，采用框架结构体系，见图 1-图 3。

图1 工程效果

图2 标准层平面

图3 塔楼剖面

2 设计及优化过程中遇到的问题和采取的措施

工程设计使用年限50 a，设防烈度7度（0.15g），场地类别为Ⅲ类。主楼抗震等级为二级，抗震构造措施采用的等级为一级；裙楼抗震等级为三级，抗震构造措施采用的等级为二级。

2.1 地下室主体结构与深基坑支护逆作法相结合

工程位于地铁沿线，距离地铁较近，周边高层皆先于其施工完毕，基础埋深均小于此工程且本工程基坑深度达16 m，属于超深基坑，基坑周边环境复杂敏感，临近大量管线、建筑与地铁构筑物，经专家论证，决定采用深基坑支护结构与主体结构相结合的逆作法施工技术，即以地下室梁板作为支护结构水平支撑。

一般而言，传统逆作法（图4）仅是在原设计框柱中设置支护施工所需格构柱，不改变原结构受力模式，主体结构设计需要注意的问题仅在于梁柱节点处及梁纵筋与框架柱内部附加格构柱位置关系，无需做其他工作。但本工程桩已先期施工完毕且大多为三桩及四桩承台，造成框柱内格构柱下桩无法施工，故需格构柱外移，置于框柱外侧，施工时先施工原主体结构梁板，柱子钢筋预留插筋后浇，图5。

图4 传统逆施

图5 本工程逆施

这样原楼盖梁受力模式转变，在正常使用过程中为主梁者在施工过程中为次梁且梁的宽度及跨数改变，原来两跨可能变成三跨或者一跨且原梁支座可能变为跨中，跨中相应变为支座。故主体结构设计应增加一种施工工况设计，把原框柱去除，代之以支护格构柱，主体构件要按照正常使用工况及施工工况取包络设计且梁配筋也不能按照常规设计，应全部拉通。

此种方法成功解决了工程桩先期施工而框柱内无法设置格构柱情况，也可避免在传统逆施下插格构柱过程中，由于施工误差过大造成格构柱挠曲超过规范要求而导致的工程事故，有较强地可控性，但需要主体设计单位进行细心设计，同支护设计单位密切配合。

通过逆施解决场地条件带来的问题，通过格构柱的外设解决逆施带来的问题，确保结构安全，取得较大经济效益和社会效益。

2.2 塔楼核心筒下大体积承台筋优化

塔楼采用框架-核心筒结构体系，核心筒除承受较大竖向荷载外，还承受较大水平力及倾覆弯矩，是主要抗侧力构件，其基础混凝土体量及配筋巨大，对工程经济性有重大影响。塔楼核心筒下承台见图6。

图6 核心筒下承台

出于受力考虑，核心筒下布置较多基桩，呈梅花形布设，经冲切计算，确定承台高度为2 m，经有限元分析，纵筋配筋较大，未采用传统双层双向满铺布设形式，而是采用满铺钢筋+局部附加钢筋形式，满铺钢筋满足规范要求最小配筋率并配置双层双向钢筋网片，附加钢筋为在承台底部局部附加不满足部分且钢筋均以其两侧基桩为支座，从桩边起算满足锚固长度。

此种方法可以节省大量混凝土受压区域不必要钢筋，做到经济合理，取得可观的经济效益。

2.3 框架-核心筒结构0.2V0调整暨核心筒剪力墙厚度优化

框架-核心筒结构为多道设防抗侧力体系，框架为继连梁、筒体后的第三道防线，由于其刚度较小，要使其能保证大震下的安全，则需要对其承受剪力进行调整[1]。此调整数值的大小与核心筒和框架间刚度有关，就本工程而言，由于核心筒尺寸相对平面较大，故核心筒的刚度起控制作用，当核心筒刚度较大时，框架部分0.2V0调整数值较大，框架配筋较大且部分超筋；当核心筒刚度较小时，结构整体位移角及周期比等则不满足规范要求，故需对核心筒墙体厚度进行优化设计。

框架-核心筒0.2V0调整要求框架部分承担的剪力不小于MAX[MIN(0.2V0,1.5VFmax),0.15V0]。

当底部墙体厚度为500mm时，由图7可见，其框架部分的调整系数较大且核心筒Y向墙体由于框架过弱其剪力均放大1.1倍，说明框架部分刚度过弱，起不到二次设防作用且核心筒墙体进一步放大，配筋困难；经过多轮优化，将底部墙体厚度减小为400mm，由图8可见，框架部分剪力仅需要相对较小调整，而剪力墙剪力则无需调整，此时剪力墙及框架配筋都在经济配筋率范围内且结构周期比、位移比、位移角等大指标都在可控范围内。核心筒墙厚不是越厚越好，而是存在一个合理范围，达到这个范围就可取得较经济合理的结果。

图7 核心筒底部墙厚为500mm时0.2V0调整参数

图8 核心筒底部墙厚为400mm时0.2V0调整参数

2.4 设备层设置对主体结构刚度影响及优化

因塔楼上部为客房而下部为多功能厅及宴会厅等，功能分区不同，故需要设置2个设备层，也就是管道转换层，见图9。设备层高度仅2.19 m，塔楼下部层高为5.1 m，上部客房为3.6 m，设备层的设置给结构专业带来较大难题。

图9 设备层剖面

设备层高度过小，正常作为一层设计时，结构刚度有较大突变，吸收地震力过大，形成事实上的加强层且由于层高过低，而形成短层（极短墙与极短柱）；而其上相近楼层因层高较大成为薄弱层，有较大的变形，在地震作用下极易产生破坏，存在严重安全隐患。

经过优化，实际设计时，将设备层不作为一层输入，即以设备层与其上一层合并为一层设置，而设备层通过结构正常楼层上设立小柱+小梁来实现，弱化了设备层刚度影响，随之带来的问题是形成两个层高较高楼层，一个为7.3 m，另一个为5.8 m，通过合理优化墙厚及连梁高度，控制结构不出现薄弱层，但为保证安全，将这两层强制指定为薄弱层，以策安全，见图10和图11。

图10 设备层作为单独层时位移角

图11 设备层不作为单独层（即大层高）时位移角

3 结语

超深基坑，基坑周边环境复杂敏感，临近大量管线、建筑与地铁构筑物，通过地下室主体结构与深基坑支护逆作法相结合的方式可较好解决工程问题，具有以下优点：

1）可以大量节省临时支护结构的使用，节约资源，有利于基坑工程的可持续发展；

2）具有较强的经济性，可缩短工程施工的总工期；

3）基坑变形小且对周围环境影响小。

酒店功能复杂，对结构专业要求较高，通过深入细致工作，经过多次优化设计，采取可靠措施方能实现建筑及设备功能要求，贯彻国家对建筑工程安全适用、技术先进、经济合理、确保质量的技术经济政策，如通过设备层的合理处理，即满足酒店功能要求，又使得结构安全得以保证。结构设计应反复论证，使结构刚度适中、刚柔相济，使得核心筒墙体厚度在合理范围内，既满足安全要求，又保证工程造价在相对合理范围内，从而取得较好经济效益和社会效益。

[1]JGJ 3—2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].