某住宅工程结构优化设计

■ 刘艺萍 LIU Yiping

1 工程概况

上海宝山新城38#单体为一幢30层的典型住宅建筑，建筑高94.5m，长28.5m，宽12.9m，层高3.15m，有1层地下室，其结构体系为现浇钢筋混凝土剪力墙结构体系。在结构的平面布置上，基本符合简单、规则的原则，在结构的竖向布置上，没有外挑和内收，结构刚度沿竖向没有突变（图1、2）。

为更好地满足建筑在使用上的需求，建筑设计考虑各户型南北通风，故整个建筑物在厚度方面较小，在形体上较薄，同时又要满足建筑物的高度要求。对于结构设计而言，建筑的高宽比数值较大，就要采取相应措施以增强建筑结构的整体刚度。本单体建筑的高宽比为 7.75，超过《高层建筑混凝土结构技术规程》（GB 50011—2010）第3.3.2条规定的“对于该结构体系适用的最大高宽比为6”。高宽比是对结构刚度、整体稳定、承载能力和经济合理性的宏观控制。在结构设计满足承载力、稳定、抗倾覆、变形和舒适度等基本要求后，仅从结构安全角度讲，高宽比并非一定要满足，但会影响工程的经济效益。因此，本建筑的高宽比在一定程度上降低了结构单体的经济性。

2 原结构整体计算模型的复核

2.1 原整体结构计算模型

图1 38#单体建筑平面图

原结构设计考虑地暖面层厚130mm，标准层恒荷载为2.7kN/m2，活荷载为2.0kN/m2；结构楼板板厚120mm，剪力墙混凝土强度等级C55～C30，梁板混凝土强度等级C30。其结构整体计算模型如图3所示。

2.2 原整体结构计算结果

根据计算结果（表1～4），原结构整体计算模型的设计参数没有错漏，取值在合理范围；且结构的平面布置（图4）和荷载取值也均与建筑设计吻合，计算结果均满足规范的各项要求，说明原结构可行。但是，本单体结构剪力墙基本厚度为：①15层以下（含15层）外墙厚度以350mm为主，局部为400mm，内墙一般为300mm；②15层以上外墙以250mm为主，局部为300mm，内墙一般为250mm；③楼梯间墙厚度为250mm、200mm两种。相比其他同高度的普通建筑物而言，局部结构混凝土墙板厚度相对较厚，对于建筑本身的使用有所不利。结构设计需要考虑能否对混凝土墙体进一步的优化。

图2 建筑立面图

3 结构设计的优化调整过程

对原模型复查无误后，对本单体的结构优化调整分成以下几个步骤进行。

3.1 步骤一：细化荷载

图3 结构整体计算模型

表1 结构周期计算结果

表2 结构位移计算结果

表3 地震作用下的基底剪重比及质量参与系数

表4 结构计算分析与超限判别

考虑减轻结构自重，对地暖面层的荷载取值进行细化分析。本单体建筑所提出的地暖面层厚130mm、荷载2.7kN/m2取值是全部按照水泥砂浆来定的，实际做法中，可以考虑有一半左右的厚度为轻质绝热层，因此，该荷载通过细化可修改为1.7kN/m2。

3.2 步骤二：调整墙体

对于建筑提出的立面要求，结构尽量给予满足，首先对影响南立面景观窗的短墙，按建筑要求的楼层给予取消。对于其他墙体，则根据轴压比、刚度效果，并结合建筑的功能布置分步进行修改。

（1）外墙：在低区刚度比较富裕的情况下，给予减薄。在高区保留原厚度。

（2）内墙：对于刚度贡献小的内墙，尽可能减薄和缩短，提高建筑的利用率和灵活性。针对一些无效的墙间开洞，给予取消，以提高墙的刚度。

3.3 步骤三：调整结构模型计算

3.3.1 减轻结构自重后整体结构的计算结果

地暖面层局部采用轻质绝热体（图5），以减轻结构自重，将原结构附加恒荷载2.7kN/m2修改调整为1.7kN/m2，并将底部剪力墙的混凝土等级由C55改为C50。调整后的整体结构计算结果见表5～7。

3.3.2 修改建筑景观窗并调整部分墙肢厚度及长度

（1）标准层荷载：板厚120mm，附加恒载1.7kN/m2，活载 2.0kN/m2。

（2）15层以下：外墙厚度修改为350mm、300mm（原为400mm、350mm）；内墙厚度修改为250mm、200mm（原为300mm）。

（3）15层以上：外墙厚度修改为300mm、250mm（原为300mm，250mm）；内墙厚度修改墙为200mm（原为250mm）。

（4）混凝土强度等级：现浇混凝土墙板为C50～C40（原为C55～C30）；梁板为C35（原为C30）。

图4 2～11层结构平面图

图5 建筑地暖面层做法

表6 减轻结构自重后的结构位移计算结果

表7 减轻结构自重后地震作用下的基底剪重比及质量参与系数

修改调整后的整体结构计算结果见表8～10，且主要结构平面布置见图6～8。

根据图9的y方向最大层间位移角曲线，可以看出，变形较大楼层在20～26层左右位置。经结构优化调整后，变形值略微偏大一点，但结构位移值仍然能满足规范设计要求。

4 混凝土用量统计分析

根据表11混凝土用量统计可知：优化结构后，梁混凝土用量比原模型多86m3；墙比原模型减少338m3，为原来的88%；总体混凝土用量减少252m3。可见，对于高宽比较大，超过一般规范数值时，考虑到结构设计的经济合理性，采取一定的技术措施是可靠有效的。通过减轻结构本身的自重，对减少整体地震力起了较大作用。通过优化局部剪力墙的厚度及长度，优化建筑的局部布局，调整局部连梁高度，满足了建筑对使用上的需求，更有利于建筑对房间使用率的要求，结构设计也更加趋于合理，同时也提高了结构的经济性，避免了不必要的浪费。

表8 修改调整后的结构周期计算结果

表10 修改调整后地震作用下的基底剪重比及质量参与系数

表9 修改调整后的结构位移计算结果

图6 2～15层修改后结构平面图

图7 16～23层修改后结构平面图

图8 4～30层修改后结构平面图

图9 y方向最大层间位移角曲线图

5 结语

综上所述，对于本工程，如有条件，可先通过建筑设计的平面调整降低房屋的高宽比，从源头上提高结构的经济性。对于刚度贡献大的外墙，在满足建筑立面的要求下，可以利用连梁的高度，适当做厚以有效加强房屋的扭转刚度；对于刚度贡献小的内墙，可以在规范的允许下适当减薄和缩短，不仅提高结构的经济性，也有利于房间的使用率及布局的灵活性；对于某些连肢墙，在建筑无开洞要求下，取消结构洞口，能有效提高刚度。在荷载取值方面，特别是地暖的面层，建议根据实际的做法细化，避免不必要的浪费。

表11 混凝土用量统计