既有建筑剪力墙结构改造优化方案的研究

邹 欣，韩群柱，王 曦

(西安理工大学土木建筑工程学院，陕西 西安 710048)

我国房地产行业经历了飞速发展的20年，有些地区已是供大于求，一些缺乏规划和建设资金的烂尾工程成为城市的“烫手山芋”，且后期对其的改造再利用也十分困难。由于建筑的结构已经定型，为保证建筑安全，无法在经济合理的情况下对建筑结构进行大的改动。近年来，对上述问题的研究不多，业内专家学者的研究方向集中在建筑物抗震性能等一些基本原理方面［1－2］。本文大胆提出一种设想，即在建筑设计之初就对未来可能出现的问题作出预期，在建筑结构功能转换方面留有余地，为建筑改造和综合利用提供可能。在提倡绿色节约型社会的大背景下，房地产行业不能仅仅满足于建设速度和建筑数量，而应着眼于建筑质量，重视建筑功能的最大化，灵活布置，才能满足不同顾客的需求［3－5］。本文就以某工程剪力墙结构为例，分析预留改造空间方案的优势，为上述问题的解决和实现提供技术支持［6－8］。

1 工程概况

本文计算模型为陕西省某市某一栋住宅楼，建筑使用年限50年，建筑面积为6 978 m2，其中地上建筑面积6 615 m2，地下建筑面积363 m2。建筑分为地上18层，地下1层，建筑总高度为51 m。建筑采用剪力墙结构，地基采用桩地基。风荷载信息为修正后的基本风压w0=0.35 kN/m。场地类别为Ⅱ类，地面粗糙度为B类，查《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(以下简称《规范》)附录A可知本地区抗震设防烈度定为8度一组，设计基本地震加速度为0.20g，查《规范》5.1.4条得特征周期Tg=0.35 s，地震影响系数最大值amax=0.16。该工程A级高度，查《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)表3.9.3得剪力墙抗震等级为二级。

2 计算模型建立

本文采用YJK软件进行建模分析，针对上述工程建立了2种不同的剪力墙布置方案。方案1为常规民居设计方案，方案2在方案1的基础上，考虑了本工程建筑使用功能在后期由民居改为办公室的需求。办公室需要更为联通的空间，因此，将卧室与客厅之间的剪力墙设置为砖混墙，便于后期拆除，并在两边增加剪力墙的布置。2种方案标准层剪力墙平面图如图1、图2所示(图中黑色填充部分为剪力墙)。

图1 方案1标准层剪力墙平面布置图(单位:mm)

图2 方案2标准层剪力墙平面布置图(单位:mm)

3 整体结构计算与结果分析

3.1 结构动力分析

利用YJK软件计算模型的周期、平动系数、扭转系数，计算结果见表1。

由表1可知，方案2结构的周期整体比方案1的周期有一定减小，说明方案2模型刚度更大变形更小。2种方案的平动系数和扭转系数基本不变，都达到了最优的抗扭效果。

经过计算可得，方案1在X、Y方向上的最大位移比分别为1．14和1．02，方案2在 X、Y方向上的最大位移比分别为1．26和1．01，可以看出2种方案位移比结果比较相近，对整体建筑物的影响不大。

表1 结构自振参数

3.2 结构内力分析

2种方案的层间最大剪力和最大弯矩值见表2。由表中数据可以看出，方案2的层间最大剪力和层间最大弯矩比方案1略有增加，这是由于在客厅和卧室之间减少了剪力墙的布置，导致周围墙体承担了更多的内力，但是，方案2的内力值也都在各规范要求的范围内，满足承载力的要求，说明该方案采用减少剪力墙的方法以达到改造目的是可行的。

表2 地震作用下最大内力对比表

3.3 结构变形分析

建筑的层间位移参数见图3、图4。从图中可以看出，方案1在X、Y方向上的最大位移分别为30 mm和42.3 mm，方案2则分别为33.3 mm和38.6 mm，2种方案的位移值基本保持一致，但方案2的结构变形比方案1更均匀。2种方案的层间位移角均符合先增大后减小的规律，方案1在X、Y方向上的最大层间位移角分别为1/1 260和1/1 067，方案2则分别为1/1 110和1/1 170，方案2在Y方向上的位移有明显减小，更接近规定的限值1/1 000，说明材料被更充分地利用。

图3 方案1层间位移参数图

图4 方案2层间位移参数图

3.4 结构造价分析

2种方案的含钢量、混凝土用量见表3、表4。

查询定额取混凝土综合单价420元/m3，钢筋综合单价2 000元/t，可估算2种方案工程造价。

方案 1:2 803．88×420+309．59×2 000=179.68(万元)

方案 2:3 269．02×420+345．64×2 000=206.43(万元)

表3 2种方案钢筋含量对比表

表4 2种方案混凝土用量对比表

由表3、表4可看出，方案2的钢筋和混凝土用量比方案1略有增加，这是出于建筑功能改变的考虑，方案2减少了剪力墙，以便于后期改造，而为了保证结构安全，只能增大梁墙的尺寸。混凝土用量增加465.14 m3，钢筋用量随之增加36.05 t，但总体来说每平方米混凝土用量与方案1相比仅差0.06 m3/m2，每平方米钢筋用量相差4.76 kg/m2，差距不大。根据价值公式V=F/C，虽然成本系数C小幅增加，但经过专家打分(表5)，一致认为功能系数F提高了约1．15，因此总体价值V是增大的，说明方案2较有实用价值。

表5 方案功能专家评分表

4 结论

本文中考虑建筑功能转变的方案2与常规设计方案1均能达到建筑安全标准，2种方案的造价在同一数量级上，说明方案2是经济合理且可行的。与方案1相比，方案2还能满足后期改造的要求，使建筑的功能更加多元化，实现建筑增值，同时，也为用户提供了更多改造的空间，实现建筑的个性化。可见，本文提出的建筑思路有发展前景，值得推广。该设计思路还处在探究阶段，建立的模型还可以进一步优化，找出更加经济合理的方案。另外，在后续的研究中，可以深入探讨在不同等级的地震作用下，该设计思想的可行性，为类似工程提供借鉴。

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