某住宅小区结构优化设计

李胜利

【摘 要】在保证结构整体满足规范和受力要求前提下，从施工效率和结构受力合理角度对项目进行结构设计。分别对塔楼标准层结构布置、地下室楼盖体系和基础形式等进行结构优化。通过计算对比分析和优化前后平均材料用量对比，可得出从本项目优化可取得较显著经济效益。

【关键词】施工效率;结构优化;结构整体指标;结构承载力

中图分类号： TU973文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）13-0159-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.13.076

0 引言

该项目位于华南地区，建筑面积约30万m2，分为三期建设，均为住宅小区。原施工图已全部出完，施工开始前对图纸进行会审，施工单位反馈原结构设计施工较复杂且存在较多的优化空间。于是组织相关各方和设计院对设计进行优化，分别从施工角度和结构经济性方面进行优化，即节省土建造价，又方便施工提高施工效率。

该项目均为剪力墙结构，抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组为第一组，建筑场地类别为Ⅱ类，场地特征周期为0.35s，抗震等级为三级;50年一遇基本风压为0.85KN/m2，地面粗糙度B类，层高2.9m～3m，地上部分高度为84～94m，地下一层，局部地下两层。

一般住宅项目建造成本中土建占比较大，尤其结构部分中两大主要材料—钢筋和混凝土用量是直接经济指标，与施工进度和施工效率密切相关。设计优化时分别从基础设计、地下室设计和塔楼标准层设计方面着手，从施工效率和结构受力合理性方面进行设计优化。

1 基础设计优化

本项目岩土工程勘察报告表明，地层自上而下分别为：①素填土、②粉质粘土、③砂质粘土、④强风化花岗岩、⑤中风化花岗岩。其中⑤层中风化花岗岩全场地均有分布，岩石质量指标RQD值介于25-70间，单轴饱和抗压强度为45Mpa，承载力高，为理想的桩基持力层。

原结构基础塔楼部分采用桩径1000mm冲孔灌注桩+2000mm厚筏板，其中为加大基础埋深在筏板顶部设置1层结构空腔层作为负1层底板，层高3米，该空腔层剪力墙拉直贯通，施工支模和拆模复杂。车库部分基础采用上反柱下条形基础+筏板兼做防水板，上反基础梁面高出底板面700mm，结构施工完成后需大量回填土且不便于机械作业。

本项目所在地区处于基本风压大，抗震设防烈度低地区，塔楼平面和竖向均较规则，结构高宽比约3.2，刚重比大，结构整体稳定性好，基础埋深在能够满足稳定性和抗倾覆的前提条件下，减少埋深可大幅减少土方开挖量和施工工程量。根据上部柱底内力，塔楼基础需采用桩基础。结合项目地的工程经验采用冲孔灌注桩为宜，施工方便，单桩承载力高。桩端持力层为中风化花岗岩，按嵌岩桩进行设计，桩端全断面嵌入中风化花岗岩深度不小于2D。筏板底部所在土层接近强风化花岗岩，建筑负一层完成面标高为24.4m，原结构地块条形基础顶标高为23.1m，桩筏顶标高为19.0m，高差为1.3～5.4m，标高24.4m处基础已满足埋深要求。经验算，按照建筑筏板顶标高为24.4m，结构整体抗滑移和抗倾覆均有满足规范要求，于是可取消塔楼南侧无建筑使用功能的结构空腔层。另外原桩基布置采用等间距布置，桩中心与竖向荷载作用下剪力墙合力中心距离较大，附加弯矩大，筏板厚度较厚且内力受力复杂，导致全楼桩数较多，筏板配筋较大。

考虑与地库的较好衔接，优化后塔楼基础筏板顶标高为为23.90m，取消结构空腔层优化桩基布置，采用冲孔灌注桩直径1000mm，单桩承载力特征值为7000kN，墙柱中心线下布桩，经验算筏板厚度可优化至1500mm。地库部分采用柱下独立基础+筏板兼做防水板，底板厚度300mm，柱下柱墩与底板设45°斜角进行过度，方便地基开挖和防水施工，受力合理。优化后基础布置图详见图1。

经计算分析，优化后的塔楼基础和地库部分基础受力均匀，抗冲切等受力指标均满足规范要求，筏板和底板配筋大部分区域均匀构造配筋即可。优化前后经济指标对比详见表1。优化后平均混凝土用量节省36.19%，平均钢筋含量节省42.79%，如考虑土方开挖量和回填量、施工措施等，优化后基础方具有更显著经济效益。

2 地下室楼盖体系优化

该项目地下室2层，原设计地下室负一层和顶板楼盖均采用井字梁，原结构框架柱截面为600x600mm，顶板框架梁550×1000mm，次梁为400×700mm;负1层框架梁为550×900mm，次梁为300×700mm;顶板和负1层板厚均为250mm。计算结果表明，主次梁受力大、配筋大。导致施工模板耗费较大，后期机电管线安装复杂。

根据受荷载特点，对于荷载较大楼盖应采用加腋梁板或者主梁+大板方案，梁受力经济合理，对于普通楼盖，宜采用十字梁或者双次梁方案，使梁截面进行标准化，方便钢筋加工和楼板制作安装。针对楼盖面荷载的大小不同，结合现场施工条件，负1层楼盖采用十字梁，地下室顶板楼盖采用梁板加腋的大板结构形式，取消次梁。顶板框架梁截面为600x800/1000mm（端部梁高加腋后高度为1000mm），板厚为200/500（主梁边楼板厚度加腋至500mm）;负1层采用十字梁，框架梁为400x800mm，次梁为300x700mm，板厚为200mm。经过结构计算分析，竖向荷载下楼盖承载力和挠度均满足规范要求。优化前后楼盖经济指标对比详见表2。优化后平均混凝土用量节省18.11%，平均钢筋含量节省21.59%，具有较好的经济效益。

3 塔楼标准层设计优化

本项目为普通住宅，标准层平面统一，横平竖直。原标准层结构平面布置详见图1。从图1可看出，主要有下列不利因素：1）原结构设计墙肢厚薄不一且存在较多端柱;2）沿塔楼竖向高度墙体厚度和长度出现多次变化;3）梁截面尺寸规格不一;4）存在较多拉梁和外挑结构板。从施工角度看，结构构件尺寸如未能较好的进行归并统一，将导致模板耗费较多，钢筋制作类型也较多，施工成本较大且不利于施工工效的提高。

结合施工和结构受力因素，本项目主要为风荷载控制，原结构布置未能较好的发挥核心筒的有利作用，设计优化时，加厚核心筒与南北两侧单元的连接楼板厚度，计算按照弹性楼盖进行分析设计，墙体厚度自2层楼面开始，取消剪力墙大端柱，除周边墙体厚度为300mm外其余墙体厚度均为200mm，墙肢长度和连梁在塔楼标准层设计统一截面，外框架梁高度统一至窗顶，既有效提高结构抗侧刚度和抗扭刚度，又可节省门窗过梁的二次施工费用。优化后结构布置详见图2。

通过结构整体计算分析，优化后结构整体指标较原结构布置更加合理，均满足现行规范要求。结构自重较优化前更小，平均计算钢筋含量由45.74kg/㎡优化至40.45kg/㎡，节省11.56%，混凝土用量由0.34m3/㎡优化至0.30m3/㎡，节省11.76%，具有较好的经济性。结构计算指標对比详见表3。

4 总结

在保证安全性和合理性的前提下，通过结构优化设计既可降低整体造价，又可提高施工效率。本项目从施工角度和结构受力合理性方面对项目进行设计优化，保证规范要求、结构承载力和具备足够的结构可靠度前提下，塔楼地上部分通过优化剪力墙布置，取消部分框架柱，增加户内使用面积，提高建筑使用空间，优化楼层结构梁高，提高建筑室内净高;地下室通过采用加腋梁板形式，减轻结构自重，提高地下室净高，更利于设备管线布置;基础改为桩承台+筏板板形式，大大减少结构材料，满足抗倾覆前提下适当抬高基础底标高，减少现场开挖及地下室土方回填量等综合措施，使得项目成本优化经济效益明显，施工更为方便高效。

【参考文献】

[1]林同炎.结构概念和体系（第2版）[M].北京：中国建筑工业出版社，1999.

[2]中华人民共和国国家标准.GB 50007-2011建筑地基基础设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[3]中华人民共和国国家标准.GB 50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.