第四代住宅结构设计浅析

朱敏 湖南省邮电规划设计院有限公司

1 前言

第四代住宅是将森林和城市建筑结合，把园林搬到空中，也称庭院房、城市森林花园建筑或者立体园林生态住房，最初由清华大学建筑设计研究院提出。其主要特征是：每家每户都有私家庭院，可种花、种菜、养鸟，让现代人生活在绿色生态环境中。历经“茅草房”、“砖瓦房”、“电梯房”之后，住房第四次更新迭代，四代住宅不仅能满足人们的身体需求，更注重现代人的精神需求，绿色生态环境丰富人们的休闲生活，使家变成家园，使城市变成园林，达到人与自然和谐共生。随着时代的进步，技术手段的提升，充满绿色气息的庭院不仅可以满足住户的精神需求，更能为城市增添绿色，改变城市风貌，调节局部微气候，第四代住宅的市场前景值得期待。

第四代住宅是符合人们居住需求的产品，近年来，已经有多个城市开始建设这种住房，但是实际设计建设中还存在很多问题需要解决，比如，技术标准滞后、建设成本高等。第四代住宅，基于绿色建筑标准，需要建设大面积的庭院，庭院覆土深度甚至需要达到1m以上，相对普通住宅建筑来说，荷载很大，并且分布不均；为满足采光以及良好的观感需求，建筑方案倾向于设计大悬挑庭院。这些建筑功能要求，加大了四代住宅的结构设计难度。结构方案设计对四代住宅的使用感、结构安全起着至关重要的作用，相关设计方法的优劣值得研究，设计方案也亟待优化。

大悬挑的庭院结构方案，目前主要有斜撑和框架柱两种方案。框架柱方案受力明确清晰、施工方便，但是框架柱对庭院的采光、视野形成了部分遮挡，对使用感和建筑效果有一定的影响。斜撑方案采用斜柱支撑在相邻的剪力墙端柱上，对庭院的遮挡较小，但是斜柱的受力较为复杂，在实际施工中需以柱边梁底定位且存在斜交角度，实际结构与结构设计模型存在差异，斜交位置钢筋直径大，钢筋多，锚固长度大，混凝土振捣困难，施工难度大，施工质量难以保证。

本文拟针对深覆土的大庭院，对比斜撑和框架柱两种方案的适用性，拟采用盈建科建模计算，对比结构设计指标、含钢量等，希望通过结果分析，给四代住宅的设计提供一定的参考。

2 算例计算

拟计算住宅抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度值为0.10g，场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第一组，特征周期为0.35s。基本风压0.40kN/m2，承载能力极限状态计算时考虑放大系数1.1，地面粗糙度类别C类，基本雪压0.55kN/m2。结构设计使用年限50年，建筑结构安全等级二级。地下2层，地上25层，首层层高4.6m，标准层层高2.95m，建筑高度75.5m。住宅共一个单元，每层4户，每户均设置私家庭院，庭院覆土深度1m，可种树养花，庭院分奇偶层在不同位置设置。

图1~图2为框架柱方案平面布置图，图3~图4为斜撑方案平面布置图。框架柱方案在庭院位置布置了10根框架柱，减少了庭院悬挑的长度，其中8根框架柱为圆柱，具有装饰美化作用。斜撑方案取消10根框架柱，改为斜撑，对应位置剪力墙厚度增至600mm~800mm，庭院视野无遮挡，观感较好。

本文采用盈建科结构设计系列软件（YJKS3.1.1）对两种方案进行建模计算，嵌固端取在地下室顶板，荷载根据建筑使用功能按GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》进行选取。图5~图6为两种方案盈建科模型。

经过计算，在规定水平力作用下，两种方案的结构底层框架部分承受的地震倾覆力矩与结构总倾覆力矩的比值如表1所示，根据JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》第8章，8.1.3条第2款，当框架部分承受的地震倾覆力矩大于结构总倾覆力矩的10%但不大于50%时，按框架−剪力墙结构进行设计。故框架柱方案按照框架−剪力墙结构设计，剪力墙和框架抗震等级均为二级；斜撑方案按照剪力墙结构设计，剪力墙抗震等级三级，框架部分抗震等级二级。

表1 框架部分地震倾覆力矩比值

结构计算指标如表2所示。

表2 结构计算指标对比

从结构计算指标可以看出，框架柱方案自振周期较小、位移角较小、刚重比较大，框架柱方案的刚度比斜撑方案大。斜撑方案的最大位移角已经接近规范要求的1/1000上限，而框架柱方案的最大位移角，距离框架剪力墙结构的规范要求1/800有一定的富余，故框架柱方案还可以做一定的优化。

根据盈建科计算结果，在软件中统计地上部分的混凝土及钢筋用量，如表3所示。因未考虑部分构造做法及配筋调整，且未考虑基础及地下部分，本表并非真实的用钢量，仅用于此文中两种分案的对比。从表中数据可以看到，两种方案的含钢量和混凝土方量的差异都在3%左右，综合来看，两种方案的经济性差异不明显。

表3 两种方案经济性对比

3 结果分析及结论

由上述计算结果可见，两种方案的经济性对比差异不大，但是结构体系不一样，结构安全、施工难度方面存在差异，主要体现在以下四个方面。

（1）框架柱方案。剪力墙和框架的抗震等级均按二级设计，理论上此方案含钢量会较斜撑方案大幅提升，但是计算结果显示，含钢量差异不大，同时斜撑方案混凝土方量较框架柱方案略大。综合来看，经济性差异不明显。

（2）框架柱方案。为框架−剪力墙结构，框架−剪力墙结构有剪力墙、框架两道防线。相对于斜撑方案，框架柱方案多了框架这一层保障。在经济性差异不大的前提下，框架柱方案能获得更大的结构刚度，且框架柱方案传力清晰，对结构安全更有利。

（3）斜撑方案。由于斜柱的布置，可能产生抗震薄弱部位。而斜柱相关的研究工作还较少，设计规范中也缺乏相应规定。在实际项目中，结构设计的做法也是各不相同。而且斜撑方案在设计建模中斜撑的支撑点位置按节点控制，与实际施工的位置不完全一致，实际使用过程中的传力途径和内力情况与计算结果可能会存在差异。斜撑方案在结构设计阶段存在一定的安全隐患。

（4）框架柱施工工艺成熟，施工质量能够得到保证。而斜柱施工难度大、施工精度要求高，在施工过程中存在很多困难，具体包括以下几点：①模板支架需承载钢筋混凝土垂直方向的重力及水平方向的推力，对其强度、刚度、稳定性均有更高的要求；②斜柱及其钢筋的倾斜角度在实际施工中很难把控，只能通过控制斜柱与水平面、垂直面的交点位置间接控制，对施工精度要求高；③斜柱通常长度比较大，配筋多，钢筋直径大，在混凝土浇筑时，振捣困难，易造成柱面蜂窝麻面甚至烂根现象。即斜柱施工在钢筋制作、绑扎、定位、保护层控制、模板支架、混凝土振捣等方面均存在较大难度，施工质量难以得到保证。

4 结束语

综上所述，两种方案经济性差异不大，虽然斜撑方案观感更好，但是在设计阶段，斜柱计算缺乏可靠的理论支撑，施工阶段也存在困难；而框架柱方案理论成熟，施工方便。建议在建筑方案设计阶段，在满足建筑使用功能的前提下，优先布置框架柱，适量采用斜撑，以确保结构安全。