高层住宅结构设计优化初探

李 坤

(安徽省城乡规划设计研究院，安徽 合肥 230022)

0 引言

随着经济的不断发展，以节约资源、保护环境为核心的绿色建筑设计越来越受到人们的重视。而建筑结构设计优化对于节约建筑材料、改进结构性能具有重要的意义，是绿色建筑设计的重要组成部分。一般来说，建筑结构设计优化分为三个层面，第一个层面是结构构件层面的优化，一般用混凝土用量和含钢量作为评价指标。第二个层面是结构方案及地基基础的优化，这个层面的优化不仅涉及到工程造价的降低，还涉及到结构性能的改进、施工的便利等方面。第三个层面是建筑方案的优化[1]。笔者通过对建筑结构设计优化的理论及实践的认识，并结合工程实例，探讨一下高层住宅结构方案、地基基础及结构构件设计优化的要点。

1 结构方案及地基基础的设计优化

1.1 结构方案及结构布置优化

高层建筑结构平面布置宜简单、规则、均匀、对称[2]。高层住宅应优先采用纯剪力墙结构，尽量避免采用部分框支剪力墙和短肢剪力墙。剪力墙的墙肢形状应简单，以减少边缘构件的数量；截面形状首选L形。评价剪力墙布置经济合理性主要有以下三个指标：墙地比、结构层间位移角和剪重比。墙地比=标准层竖向构件截面面积/标准层建筑面积。如合肥地区60 m～80 m高层住宅墙地比参考值为5.5%。结构层间位移角宜控制在1/1 300～1/1 000之间。剪重比是结构计算比较重要的指标。当结构的整体刚度选择比较合理时，仅仅底部几层(一般不大于地上总楼层数的15%)的地震剪力系数不满足要求，可以采用计算软件中全楼地震力放大系数来调整地震剪力。如果有15%以上楼层的剪力系数不满足最小剪力系数要求，或底部楼层剪力系数小于最小剪力系数的85%时，说明结构整体刚度偏弱或结构太重，此时应调整结构布置，增强结构刚度或减小结构重量。

1.2 地基基础设计优化

从造价角度考虑，在确保承载力满足计算要求的前提下，应优先选用天然地基，当天然地基不能满足要求时，可以依次采用CFG桩复合地基、预应力混凝土管桩、钢筋混凝土钻孔灌注桩。一般情况下，CFG桩复合地基造价是预应力混凝土管桩的40%～80%，钢筋混凝土钻孔灌注桩造价是预应力混凝土管桩的1.1倍～1.3倍。高层住宅一般采用平板式筏板基础，不宜采用肋梁式筏基。

2 结构构件设计优化

高层住宅优先采用高强度的钢筋，承重竖向结构构件优先采用高强度的混凝土，梁板结构在计算满足要求的前提下尽量采用C35以下的混凝土。

2.1 剪力墙墙身及边缘构件设计优化

对剪力墙结构来说，剪力墙的用钢量约占总用钢量的40%～50%，边缘构件用钢量又约占剪力墙用钢量的50%[1]。剪力墙一般按照GB 50011—2010建筑抗震设计规范(2016年版)[3](简称《抗规》)和JGJ 3—2010高层建筑混凝土结构技术规程[2](简称《高规》)进行设计。

剪力墙边缘构件一般按以下原则进行设计优化：1)纵筋可以采用两种直径钢筋搭配配筋。边缘构件竖向钢筋大于《高规》7.2.15条、7.2.16条后，其余竖向钢筋可以采用小直径钢筋搭配配筋。2)剪力墙约束边缘构件可按照《高规》7.2.15-1条考虑水平分布筋计入体积配箍率。3)边缘构件箍筋可以采用两种直径，即外箍采用大直径，内箍采用小直径。

2.2 梁板设计优化

高层剪力墙结构住宅中，梁、板钢筋用量分别占标准层钢筋用量的35%～45%,12%～16%。高层住宅中，在合理的板跨内，应尽量少设置次梁，梁宽尽量与隔墙一致。对于住宅内厚度不大于120 mm的轻质隔墙，墙下可以不设置梁，采用板底加强筋进行加强。

由于住宅内的大部分板跨不是很大，大部分板底筋是由最小配筋率控制的(HRB400级钢筋的板最小配筋率，混凝土强度等级为C35时为0.20%,C30时为0.18%,C25时为0.16%)，所以楼面梁板应采用高强钢筋和低强度混凝土，一般采用HRB400级钢筋，C25,C30强度等级混凝土。采用低强度混凝土不仅可以降低混凝土的造价，还可以减小板的最小配筋率，进而降低板钢筋的造价。此外，梁板采用低强度混凝土，还可以降低梁板混凝土的水化热，减少混凝土收缩裂缝的产生，改善结构的性能。在满足规范要求及方便施工的前提下，住宅楼板配筋宜细而密。

3 工程实例

合肥市某高层住宅，24层剪力墙结构，抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度为0.10g，抗震等级为三级。笔者所在单位受业主委托，对该工程提供设计优化咨询。由于基础持力层的天然地基承载力为280 kPa，不能满足该工程需要，原设计采用了预应力混凝土管桩(桩型为PHC-500-AB-125),经济性较差。现将该工程地基处理方案改为CFG桩复合地基，CFG桩径400 mm，桩长14 m，桩距1.6 m矩形布桩。CFG桩复合地基承载力计算过程如下：

由JGJ 79—2012建筑地基处理技术规范[4]式7.1.5-2。

其中,fspk为复合地基承载力特征值，kPa；λ为单桩承载力发挥系数，λ=0.70；m为面积置换率,本工程m=4.89；Ra为单桩竖向承载力特征值,Ra=820.00 kN;Ap为桩的截面面积，m2;β为桩间土承载力发挥系数,β=0.90;fsk为处理后桩间土承载力特征值,取天然地基承载力特征值,fsk=280.00 kPa。

计算得到：

处理后的复合地基承载力特征值约460 kPa，可以满足要求。经过估算，原设计地基处理费用约73万元，优化后的地基处理费用约45万元，较原设计节省了近40%。

4 结语

高层住宅结构设计优化，不仅节省了材料，提高了经济效益，而且改善了结构的性能，是绿色建筑设计的一个重要方面，值得今后进一步深入探讨。