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。

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。

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。

1)控制场平,减少不合理的土方开挖费用。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

《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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。