高层住宅结构设计与优化

张明明，李四祥

（中南建筑设计院第四设计院，湖北 武汉 430071）

0 引言

随着城市化进程加快，商业用地成本趋高，高层住宅日趋增多，为迎合建设方实现利润最大化要求，需对高层住宅结构设计进行优化，以有效控制工程造价，实现最佳建造经济与建筑质量的协调。

1 优化设计的重要性

用地成本居高不下，住宅设计取费标准不变，随着市场竞争，定制产品设计品质和含钢量指标成为衡量设计是否优秀的关键[1]，有些甚至与设计收费挂钩。故在有限条件下合理优化，满足安全适用、经济合理、技术先进的要求，使建筑环境、使用功能最优化，提高空间利用率和提升居住品质。结构设计经济合理，不仅利于设计企业的发展，而且可节约社会资源，实现未来的可持续发展。

2 高层住宅前期设计基本要求

2.1 方案设计阶段——高层住宅建筑方案要求

建筑方案的好坏直接影响项目造价，因而结构设计需要在方案阶段介入，整体配合把控。

2）控制建筑的规则性，平面布置时考虑竖向承重构件如剪力墙沿房屋x、y两个方向均匀分布，且宜分布在单元端部附近、平面形状变化处、管井与楼电梯间处，使结构平面形状和刚度均匀对称，质量中心与刚度中心尽量重合，避免单片剪力墙过长或局部剪力墙过于集中，以减小结构的扭转效应。竖向布置方面，剪力墙贯通全楼高度，厚度依次递减，尽量避免转换等刚度突变。

3）保证房屋的最大高度、高宽比、伸缩缝间距均在规范允许范围内，满足规范要求。

4）复杂高层控制建筑立面设计，避免结构超限，平面过于凹凸，形成细腰，外立面减少不必要的外部线条，简约的立面较为经济。

2.2 扩初设计配合——指标控制

好的建筑方案是成功的开始，结构承担实施角色。结构建模完成后输入精细荷载，满足静力计算，还要考虑地震和风荷载的水平受力，使结构满足现行规范的基本要求，并对软件计算结果进行合理分析和判断。

1）轴压比 为保证剪力墙具有良好的延性和耗能性能，剪力墙墙肢轴压比必须控制在合理的范围，具体可采取调整墙肢长度和混凝土强度等级等措施。

2）周期比 作为结构设计的重要指标，规范中严格控制高层结构比值不应大于0.9，如果周期比不满足，可通过增强周边剪力墙墙肢长度、厚度或加大连梁高度，必要时，在非窗填充墙体位置设置双连梁，并通过控制剪力墙数量和减小梁截面，减弱中部刚度，以实现增加扭转刚度和平动周期，改善指标。

3）位移 需严格满足高规要求，尽量避免把洞口开设在房间两端，刚度适中情况下，层间位移角比较好满足。必要时调整剪力墙长度、加大连梁截面或提高混凝土强度等级，层间位移比可通过改善周期比方式，整体协调改动局部变形较大的节点。

该系统采用ASP.NET开发语言环境，Visual Studio 2017开发工具，选择SQL Server 2012为数据库,根据江西服装学院学生宿舍管理工作的实际情况，结合整个宿管工作人员的层次来确定系统的整个设计框架。数据库中的表已经设计好了，下面将详细说明该系统开发的步骤。

3 高层住宅优化设计要点

3.1 地下室结构方案比选

常规标配小区除主体住宅，还包括周边裙房商铺、售楼部、幼儿园、地下车库等。相较上部，地下室结构施工周期较长，工程量和造价占整个结构的25%～30%，地下室设计合理与否成为整个设计的核心。根据甲方提供的车位配比、现场土方开挖工程量、场地地质条件、抗浮设计等方面因素，在方案阶段需研究单层及多层地下室方案优劣、结构梁板方案比选、基础及地下室抗浮设计方案比选，最终选择最合适地下室结构的设计方案。

3.2 控制层高设计优化

在建筑规划限制条件下，做好精细化设计，特别是地上地下管网综合、小区消防平面布置和景观设计，减少地面覆土等恒荷载和活荷载，控制地下室梁高，增加地下室净高，并减少土方开挖及抗浮方面成本支出。上部标准层，层高不变，设备穿梁套管提前预埋，增加房间净高，提高居住舒适度。在容积率要求不高的情况下，甚至可增加楼层层数，增加可销售面积。针对面积较大的地下室，按顶部场地和各层排水趋势，在满足基本层高的前提下，各层可通过结构找单、双坡，不但减少建筑找坡的混凝土量，进而优化地下室排水，还可节约土方开挖及建筑找平成本。

3.3 合理使用高强度等级混凝土和高强钢筋

随着环保节能要求不断提升，钢材产能过剩，新版国标要求使用高强度等级混凝土和高强钢筋。常规设计6度区A级高度的高层住宅结构，如剪力墙结构竖向构件：33层，高度大于80m，剪力墙抗震等级为三级，混凝土等级C30～C45；27层，高度小于80m，剪力墙四级，混凝土等级C30～C40；18层，高度小于60m，剪力墙四级，混凝土等级C30～C40。地下室除主体相关的混凝土等级C35。竖向变截面与变混凝土错开2层，先变截面，后变混凝土。可见，现有住宅主要是剪力墙结构或框支剪力墙，按照80m或60m的限制对结构材料、含钢量等影响很大。

楼板配筋按照最小配筋率和强度计算，板跨越大，采用HRB400级以上的高强度钢筋，节省的钢筋数量越明显，有效降低住宅含钢量。因此，选择合理使用高强度等级混凝土和高强钢筋，会使房建综合成本明显降低。

3.4 构件设计

3.4.1 柱

纵筋按计算，不放大，应考虑上下层纵筋的施工及合理性，避免大小直径交错放置。箍筋按计算，满足构造，需全高加密的再加密，φ8和φ10不同直径可在同一截面混用。

3.4.2 剪力墙

《高规》规定墙厚大于300mm的剪力墙不是短肢剪力墙；而设计上墙肢高厚比5～8，墙厚大于300mm的剪力墙，仍应按短肢剪力墙设计（当轴压比较大时，应严格执行；当轴压比较小时可适当放松）。合理布置是根据经验，纯住宅楼地下室以上1～10层墙厚约300mm，10层以上墙厚为250～200mm递减。剪力墙混凝土等级从下到上逐步递减。因计算位移、轴压比要求，为尽量减少混凝土墙厚度，按照10mm为模数增加，如可采用220，260mm。避免短肢剪力墙，尽量不要设“一”字剪力墙。同时减少剪力墙数量，控制主肢墙长为1 600mm（200mm 厚墙），1 760mm（220mm 厚墙），2 000mm（250mm 厚墙），墙长不宜大于8m。

根据《全国民用建筑工程设计技术措施》（2009版）结构（地基基础）第5.8.7条：结构厚度不应小于250mm；当地下室外墙外侧有防水保护时，钢筋保护层厚度可取25mm，当钢筋保护层厚度较大时，应采取防裂措施。故计算地下室外墙钢筋保护层厚度取25mm，裂缝宽度≤0.2mm。土压力按静止土压力，K0＝0.5；当地下室采用护坡桩或连续墙支护时，K0＝0.5×0.66＝0.33；配筋计算时外墙的侧向压力分项系数可取1.3。计算地下室外墙的侧向压力，如土压力、水压力时，如其水头高度已确定，不应再乘以放大系数。计算地下室外墙时，一般室外活荷载可取5kN/m2（包括可能停放消防车的室外地面）。有特殊较重荷载时按实际情况确定。

3.4.3 梁

作为水平传力构件，主楼框梁配合竖向构件布置，做到传力路径简单直接，图面清爽[2]。通常为提高标准层净高，需控制梁的高度，通过调整竖向构件长度优化梁长，尤其是关键控制部位（如走道、大空间房间）优先保证。配筋要求如下。

1）主梁 纵筋直径尽量选择φ14、φ16、φ18。对于跨度较小、标准层等受力较小区域，优先采用单向梁布置，不但便于设备专业走管、消防照明等要求，相较双向梁经济上还降低约10%。架立钢筋可按规范要求配置，建议直径不应小于10mm，当梁跨度大于6m时，直径不宜小于12mm。箍筋、腰筋按计算配置并满足规范构造要求，若局部箍筋较大时，应仅在所需位置加大（在施工图中注明），不应全跨加大箍筋。

2）次梁 为满足锚固要求，建议端部点铰，梁面、梁底钢筋直径不应超φ16。较大跨度次梁，拉通筋改为2根架力钢筋；较小跨度次梁，设计时尽量取较小的钢筋拉通；箍筋受力较小时采用φ6@200，同时保证箍筋间距不大于梁宽，腰筋满足规范要求不放大；平面较小跨梁可取消，改在砌体墙下板底附加钢筋。

3）连梁 满足计算即可，不放大。

4）悬挑梁 内力分析要准确可靠，悬挑梁底部钢筋改用小直径。标准层可根据计算结果，梁配筋分层可细化，同一根梁个别楼层配筋较大时可单独列出。

对于地下室楼盖，迎水面要求防水板板厚不小于250mm，密肋梁和井字梁内板的承载力未充分发挥，经济上不划算。为满足结构净高要求，有时采用无梁楼盖，近年来，因发生数起无梁楼盖坍塌事故，采用较为谨慎。通过田继平[3]类似案例分析及比较，可知梁板式-大板结构经济性较好，也便于施工，故高水位地区优先选用大板方案。

3.4.4 板

通常标准层卧室、客厅楼板板厚根据跨度定：L＜2.7m：90mm；2.7m≤L＜3.6m：100mm；3.6m≤L＜3.9m：110mm；3.9m≤L≤4.2m：120mm；L=4.5m：140mm；刀把形楼板：厚度按异形板计算结果确定，楼板厚度120～150mm；而因悬挑结构计算配筋较大，建议飘窗改为挑梁。特别需加强的部位楼板如楼电梯间板板厚不小于120mm，钢筋采用双层双向，配筋率0.25%，公共走道板板厚120mm，建议采用分离式配筋。建筑端部为一字墙（含200mm小墙肢）楼板板厚120mm，筋采用双层双向，垂直剪力墙方向双层配筋率≥0.25%，平行剪力墙方向双层配筋率≥0.20%，还有屋面板及较小的板（板跨小于2m）如厕所、厨房、管井等，其余楼板如阳台板等板面钢筋尽量采用分离式，且板厚≥100mm。异形板阳角处，应在板面附加放射钢筋，不小于5φ8@200，长度为板短跨1/3。

3.4.5 地下室楼梯

消防要求梯板缝中设砌体墙时，应有一侧梯板盖过砌体墙顶部。

3.5 后浇带设置

由于地下室顶板、底板超长，为控制温度应力，应每40m左右设伸缩后浇带。主楼与裙房之间沿主楼四周设沉降后浇带，而主楼标准层避免设置后浇带。北京某住宅平面长度达80.90m，通过局部加强和采用后浇带施工措施等证明方案可行。

此外，随着科学技术发展，加速运算的自动化程度，设计师要积极吸收先进的设计理念，运用BIM等技术，在三维空间下配合其他专业进行可视优化。

4 工程实例

武汉某小区1号主楼地上29层，总高度87.60m，剪力墙结构，抗震等级为三级，主楼基础部分采用1 800mm厚筏板基础，其他部位基础采用直径为190mm抗浮锚杆+柱下独基+350mm厚防水板。顶板主楼范围外顶板标高为-1.500m，采用梁板结构（板厚300mm）方案。地上首层结构层高4.05m+标准层3.00m。由于设计人员习惯不同，该单体含钢量偏高。参照甲方预算指标，按照墙、梁、板优化要求仅对构造进行局部优化，主体结构（不包括二次结构）含钢量减少约4kg/m2。此外，地下室基底为隔水土层，无承压水，周边仅为上层滞水，故抗浮优化设计采用泄水抗浮技术，取消抗浮锚杆和减薄底板压重。通过设置盲沟、积水井收集地下水，在通过场区地势高差自动或抽排方式并入市政管网，使本工程区域水位适当降低，工艺简单，经济效益明显。

5 结语

设计人员应严格按照规范条文，从方案阶段介入设计，科学结构选型、优化平面布置、精选荷载、理性分析计算结果直至完成设计，实现整个住宅结构设计的安全与经济性，满足建设方实现利润最大化要求。