高层住宅结构体型优化设计探讨

肖　雷（安徽省城乡规划设计研究院，安徽 合肥 230022）



高层住宅结构体型优化设计探讨

肖雷（安徽省城乡规划设计研究院，安徽 合肥 230022）

高层建筑物的选型优化，很多现行的措施可以作为参考。这有助于提高建筑结构性能，缓解城市经济发展过程中的问题。用钢量的多少是衡量住宅结构的重要因素，因此通过剪力墙结构和框架-剪力墙结构用钢量对比分析可得出，在不影响安全以及其他设计参数的情况下，剪力墙结构整体优于框架-剪力墙结构。本文利用以往对于该方面工程理论和实际操作经验，在此基础上规划设计在经济实用型和安全合理性两方面都能得到保障的住宅。

高层住宅；结构选型；优化设计；抗震性能

高层建筑中的结构设计需要考虑很多因素。这其中包括经济成本、开发方的要求、材料的选取等。用钢量材料成分比重可以体现设计方案的优劣。例如，在建筑整体可用性和安全性可以得到保障的情况下，在相应控制条件下选择含钢量的多少。企业之间投标竞争过程较为激烈，所以节省用钢量是相当重要的。应该进行用钢量数据的提取、比较、整合、统计工作。这为后续工程进展打下了良好的基础。本文选用的实例是楼层总数的高度在百米之内（25～33层）的情况，描述了主要构件、类型、设计思路和重点、对比分析包括安全性和含量要素（含钢量）等。

1　结构设计定义

高层设计较为复杂，需要各因素之间协同配合，以保证安全稳定，实用性好。现依据建筑物结构设计的工程理论和实践应用，总结出以下几个原则：

1.1平面结构设计原则

在平面设计这一项中，建筑物需要保证传力以及受力的均衡性，即尽最大可能的要求设计遵循简单这一特性，避免出现由于受力不均衡而引起的抗震性要素的损失。具体应做到：①高层建筑的结构平面采用简单对称、规则均匀的结构平面。②要限制结构的长宽比，其目的就是要在结构设计中控制长矩形平面的使用，避免过大的扭转效应。还应注意的是，电梯这一功用性的设施不宜放在角落区，而在剪力墙筒体上进行上述设备的布置就可以得到较好的效果。另外，应避免采用角部交叠及细腰形平面，这种结构平面链接较弱，各部分协同工作能力较差。

1.2竖直结构设计原则

结构竖向设计的关键是避免承载力及楼层刚度的突变，避免出现薄弱层。设计中，应使结构承载力和刚度自下而上逐步减小，均匀变化，不出现薄弱层。否则，在地震力作用下，薄弱部位将首先出现破坏，继而影响整个建筑物的安全；建筑立面应尽量采用矩形梯形等规则形状，避免采用阶梯型。阶梯型建筑容易出现应力集中现象，而上部结构刚度减小过快也会引起鞭稍效应。例如，在剪力墙布置上，根据自下而上承载力及刚度变化的要求，可以逐渐减小剪力墙厚度，降低混凝土标号，同时控制各层剪力墙轴压比值，使他们具有合理的延展性。

1.3设计中控制参数

控制参数是设计中表现出来的重要的表征因素。所以探究一个合理有效量的范围，对于整体的设计具有重要意义。这些量包括，各种比率（轴压、剪重、刚度、），以及层间位移等。不同的参数会维持建筑的不同功能。具体的，每个楼层依据高低设置不同的轴压比；每个建筑物结构的水平位移是由每层的位移角来决定的，为了维持结构的稳定，可以通过调整位移来实现；竖向结构需要刚度比来衡量以有效防止了脆弱不稳定的断层出现。

1.4功能和效用上的特点

随着城市化进程的不断加深，人们对于住房的需求更加的必要和多元，即在保持一定固定量需求的同时，满足人们对住房个性化的需要。从经济节约的角度来说，住房要尽量保持大需求的供给状态，最大程度上实现土地利用率的最大化，同时提升民众对于住房个性化的需求，即保障个人住房的舒适度和安全性。。所以，现在住宅建筑有越盖越高的趋势，这就给建筑设计提出了更高要求，既要安全经济，又要舒适节能。

2　设计现状以及存在问题

近几年，中国地产行业一直处于蓬勃发展的态势，房价节节攀升，高层住宅越来越多，框架、剪力墙结构替代之前的砖混结构成为了时下建筑行业的趋势。相应的挑战衍生出计算机技术应用到建筑行业中，这包括计算机方面的应用。新的住宅结构需要新的材料，钢由于生产造价低廉超高强度抗震性好等诸多原因成为了设计师的最佳原则。但是如果只用这一种材料的话，又存在着劣势，即成本的高昂和对火耐受性较差。如此钢和以往混凝土结构的结合就成为人们的首选。虽然这样的结构已经将成本减少到最低，但是也需要克服一些关键部件截面尺度过大的问题。这需要对其进行设计和规划，以形成更好的形式。除此之外，实际设计中，必须要严格把控质量关，在此基础上，才能谈及经济上的效用高低。为了保证兼顾安全性的同时实现成本的最优，需要对结构设计进行优化。对工程实践中遇到的具体问题具体分析，不断的进行设计的优化，而不能毫无根据的套用书本、以及之前工作者的结果。与此同时，还应该加强方案检验体系的构建，以及相关人员的管理操作。

3　设计实例

3.1设计实例1

某小高层，主要情况介绍如下：10栋33层的主要住宅楼，总体高度为101.0m。

地下为两层的车库结构，配置有存放杂物的储物间，首层层高4.5m，为出售的商铺。其余层数均在3.0m。用钢量不能超过80～85kg区间，并要求主楼第一层的可以照射阳光的花房是半敞开的状态，其余一般层的结构平面如图1所示。

3.1.1结构体系及设计要点受首层建筑功能与用钢量的制约，主楼落地剪力墙只能集中布置于结构中部的楼、电梯井部位，其他部位只能设框架柱，形成图1所示框架-剪力墙结构体系。根据高规（混凝土结构设计规程）中的设计原则［2］，为了保证支撑的墙面可以达标，

框架的承受力不能超过整体的一半。增加墙的厚度成为解决问题的最优。

3.1.2优化措施

图1　实例1一般标准层平面图

（1）减轻荷载：外墙和内墙分别采用不同的混凝土，楼宇内的装修也应该得到控制，荷载保持在一定范围内，外墙采用195mm，内墙采用95mm。

（2）减小柱截面：具体参数即大楼下面的部分的架构是C55标准的混凝土，随着楼层的增加，标准以一定的间隔依次降低。与此同时，轴压比也需要进行一定程度的限制。

（3）利用级别最新的钢材，即Ⅲ级钢：控制梁截面不大于210×650，梁纵筋（fy=360kNm）。该种强度的比之前级别的钢材效果会提高1/5以上。

3.2设计实例2

某小高层，有5栋30层的建筑物，高是95.3m。地下部分是一层，包括地下室、储物间功能；其中每层的钢的用量均不超过63kg。通过大量的实地分析综合考虑，整个大楼采用不同以往和框架融合的剪力墙结构。但是由于地下部分的墙体受到了限制，这部分应灵活的进行布置。如图2所示。

图2　实例2地下一层平面图

3.2.1结构体系及设计要点

设计中需要注意的是第一层应部署抗震级别最强的三级钢材，其厚度为200mm，与此同时还应考虑由于地下室进出车辆的问题，空间尽量要求开阔。

除此之外对于竖向不均匀现象的限制也是需要特别提出的一点，不能让其复杂度增加［3］。

3.2.2优化设计措施

对于剪力墙延展特性的优化设置，和上面例子相同。另外，计划使用钢（±0.00以上的值）标准的为 45～51kg，而实际工程中用到的值为（±0.00以上的值）为49.05kg，预期在最终结果的范围之内，效果还是在可控范围内的。此外，该建筑物支持地下室进出双车道，实用性还是比较理想的。

3.3两者比较

表1　实例1、2结构震动性质指标

表2　实例1、2结构抗震性指标

本文所阐述的上述两个例子的具体性能比较如上图所示：对于小高层大楼的结构设计，运用实例2的剪力墙，可以起到更好的配置，延性、钢使用量的最优化。

4　结论

经过一系列的实验验证，得到以下结论：

（1）在现今的社会环境下，用钢量选择是进行结构选择的基础，但首先应该满足建筑设计在功能性上的完备以及结构上的安全标准，保证调控区间足够大。

（2）通过实例可以看出，对于高层建筑物，剪力墙结构和非剪力墙结构的结合的性能表现的不是很明显。收集的大量的数据显示，剪力墙结构在自然灾害中有着更为明显的优势，同时其用钢量也比与非剪力墙结构的混合要低。实践表明，剪力墙肢长度和厚度的比例在8∶1～10∶1最为适宜。

（3）很多建筑物存在着扭转分布不均匀的问题，对于该情况应该积极的改进结构的分布，使其不均的分布能够得到改善，避免由此产生的不利影响，保证其基本功能的完整性。

［1］肖于斌.论高层住宅小区建筑设计［J］.科技展望，2014，09：107.

［2］张俪耀.浅谈高层住宅建筑中的短肢剪力墙［J］.建筑与预算，2013，04：53～54.

［3］谭方兰.高层住宅结构选型和优化设计［J］.建筑结构，2010，04：58～62.

肖 雷（1971-），女，高级工程师，大专，主要从事结构设计工作。

TU318

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2095-2066（2016）09-0149-02

2016-3-8