高层结构设计中的分阶段优化措施

1、高层结构设计中的分阶段优化措施韩葆铨 濮炳安（长江都市建筑设计股份有限公司，南京210002）摘要：开发商把降低含钢量看成项目成本控制的关键。结构师需要采取设计优化措施， 从而建造出既安全又经济的高层住宅项目。 笔者总结自身结构设计经验， 列举、 分析了高层 结构设计的各阶段可以采取的优化措施。关键词：降低含钢量 高层住宅 优化措施*Measures to Optimizing High Residential Building DesignHanBaoQuan PuBingAn （ Yangtze River Urban Architectural Design Co.,Ltd., 2100

2、02, Nanjing ）Abstract: The reinforcing bar amount reducing is considered as the key to cost reducing by developer.Some optimizing measures can be taken by structure engineer to construct safe and economical high residential buildings.The author sum up experiences in structure design,then list and an

3、alyse the measures to optimizing high residential building design.Key words: reinforcing bar amount reducing; high residential building; optimizing measures *1、前言 近年来，地产公司对高层建筑结构含钢量的控制日益严格。某大型专业地产公司南京 地区大高层住宅 （层数超 18 层）含钢量控制指标仅为 47.5kg/m2 ，超出指标即要求设计院优化 设计重新出图，开发商要求之高由此可见一斑。2、背景分析一方面，我国政府 90 年代以来大力提倡

4、节能环保、努力推动国民经济转型。在这样的 大背景下，开发商对住宅建筑本身和住宅建设过程中的节能环保采取了诸多具体措施。另一方面，由于政府从 2005 年开始逐步采取了抑制房产过热的政策，再加上我国的人 力成本不断增加， 开发商的利润相对于项目投资总额的比重实际上在不断下降。 据不完全统 计， 90年代以前许多地产开发项目的利润率接近100%，而 2010年后业内领先的地产公司利润率也仅为 30%50%，少数 2009 年楼市火爆时期拿地的 “地王”楼盘利润率甚至接近 0。这两方面因素叠加在一起， 就造成了开发商对楼盘开发的成本控制有了越来越迫切的要 求。而土建工程造价一般占建筑工程总造价的70

5、%一 80%，土建工程造价中，约 75%为材料费，材料费中钢筋费约占 40%一 70%。因此，开发商把降低含钢量看成是项目降低造价 的关键因素。3、影响因素分析建筑物的含钢量受到结构类型、 高度差异、 抗震设防烈度、 场地类别等诸多因素的影响。 比如砼框架结构的含钢量一般在 30kg/m2 左右，而高层剪力墙住宅的含钢量一般在 40kg/m2 以上并随高度增加逐步变大。本文主要针对高层剪力墙住宅， 分扩初设计、 结构计算和施工图设计等阶段阐述结构优 化设计、降低含钢量的措施。3.1 优化扩初设计结构布置合理是建筑物造价经济的基础， 扩初阶段的结构优化设计往往可以起到事半功 倍的效果。3.1.1

6、 优化墙体布置剪力墙体的用钢量占总用钢量的比重50%左右。如果平面布置合理 （均匀布置、适当加强周边 ），墙肢长度、厚度取值合理 （参考高规 7.1.8 条和 7.2.1 条要求 ），则剪力墙暗柱配 筋和墙身分布筋多半不是内力控制配筋而是构造配筋。 这里引入墙率 （扣除门窗洞口的剪力 墙横截面面积与楼层结构面积之比）的概念，高层剪力墙住宅的经济墙率是5% 左右。优化剪力墙平面布置的关键是减少平面凹凸和减少平面开大洞。 平面凹凸少，则平面布置需要的墙体面积就小，剪力墙的用钢量自然就低。道理类似， 平面如果开了大洞， 剪力墙结构的墙率自然就高。 笔者曾经做过一个在核心筒两侧架设空中 走廊的大高层，

7、墙率达到了 6.5%。3.1.2 控制平面规则程度结构平面布置比较规则，则在侧向荷载 （地震作用、风荷载 ）作用下建筑物构件内力比较 小，则构件配筋量就较少。同时规则性较差的高层住宅还需要根据 高规 规定构造增加受 力不利位置的构件配筋。前述减少平面凹凸和减少平面开大洞属于控制平面规则程度。前一节所述大高层两侧 山墙全长全高采用了 250 厚砼墙来抵抗地震扭转作用。 而同一地区、 高度类似的另一栋大高 层因为平面规则对称，仅 1 层架空层两侧山墙端部用了 250 厚砼墙，上部山墙端部全采用 200 厚砼墙。控制平面规则程度的另一措施是减小长宽比。平面长宽比如达到 56 ，建筑物两主轴方 向的动

8、力特性差异较大， 在侧向荷载作用下抗侧刚度较薄弱的窄边方向上构件受力较大， 综 合来看比长宽比接近 1 的建筑物含钢量要高。3.1.3 控制竖向规则程度 与控制平面规则程度的原因类似，结构竖向布置规则在侧向荷载作用下构件内力比较 小，同时规则性较差的建筑物要构造增加受力不利位置的构件配筋。控制竖向规则程度的措施包括减小高宽比、避免薄弱层和避免转换层。3.1.4 不可忽略的“非主要”因素高层住宅的内隔墙墙体材料、 建筑物周边挑板这类 “非主要” 因素对含钢量有不可忽视 的影响。南京地区常用的内隔墙材料加气砼砌块， 自重小但砂浆粘结性能差， 为改善墙体强度 需要在门窗洞边、纵横墙相交部位大量设置构

9、造柱。页岩模数多孔砖（非承重 ）近年来逐渐用于砌筑内隔墙，容重略大但砂浆粘结性能较好，基本不需设构造柱。以南京地区某24层高层住宅（2类场地，高度72.1m）为例，经笔者计算比较选用上述两 种墙体材料板、 梁、墙配筋计算结果差异可忽略不计。 若采用加气砼砌块内隔墙每层设构造 柱约 40个，全楼增加钢筋用量约 6000公斤。而采用页岩模数多孔砖 （非承重 ）不仅用钢量省， 而且缩短了砌墙工时，减少了人工费用。建筑物周边挑板 （飘窗、线脚、阳台栏板等 ）面积不计入建筑面积，如果挑板面积较大、 造型复杂 （一处大样含多层挑板 ），其用钢量往往不容忽视。仍以上文所述高层为例，经笔者计算比较，假设周边挑

10、板均为单层，挑板长度多数在800mm 左右时，全楼挑板用钢量约 2500 公斤；挑板长度多数在 1200mm 左右时，全楼挑板 用钢量约7000公斤。假设周边挑板长度均为 1000mm，挑板多数为单层时，全楼挑板用钢 量约 3500公斤；挑板多数为双层时，全楼挑板用钢量约6500公斤。3.2 优化结构计算经过扩初优化设计的高层建筑在模型计算阶段还需要正确选取荷载和模型前处理参数。 楼面（屋面）附加恒载、墙体线荷载应根据实际建筑做法计算。楼面活载取值应按照 荷载规范取用， 不要随意放大。 对于一些特殊功能的区域， 应会同相关专业决定荷载的取值。以 SATWE 程序为例， 有一些前处理参数的选取对

11、构件内力有明显影响： 梁弯矩放大系数是 SATWE 早期为没有做活载最不利布置而设定的,如已经选择了活载不利布置的 ,则该系数不再需要放大。 梁刚度放大系数主要是考虑现浇楼板作为梁的有效翼缘提高了楼面梁 的刚度 ,住宅设计中中梁取 1.6 较合理 （该系数与梁高、板厚、板的边界条件有关，新版程序 已可按砼规524条计算），如人为放大梁刚度会引起配筋增加。住宅设计时传给基础 的活荷载应该选择折减。另外，在模型计算时通过调整建筑物周边墙体刚度，调整平面刚度中心接近平面质量 中心，可显著减小高层住宅的地震扭转效应（体现在计算结果中的周期比和位移比），从而减小墙体中的计算配筋。优化施工图设计施工图设计

12、阶段仍有诸多步骤可以优化高层住宅含钢量。优化梁、板布置住宅建筑的特点是开间较小，控制各排砼墙的间距在 3.0m4.0m，砼墙之间的内隔墙尽 量直接砌筑在楼板上， 否则内隔墙下全部布梁会增加用钢量。梁高、 板厚除根据跨度和构造要求确定外，尚应尽量使梁、板配筋率接近经济配筋率，梁的经济配筋率在0.81.2%，板的经济配筋率在 0.3 0.8%。合理选择构造措施 砼墙体分布筋、楼板钢筋和梁柱箍筋用量巨大，应注意满足规范要求即可。满足内力计算要求的前提下，梁截面宽度尽量不大于 300，这样可以避免设置复合箍筋。高层住宅底部加强部位根据计算结果和经验适当加强墙体配筋,上部墙体构造边缘构件纵筋、 箍筋和墙

13、体分布筋根据高层规范配筋， 不随意增加。地下室顶板、住宅平面两端部的 楼板、转换层楼板、 平面开大洞周边的楼板、 平面较大凹进或凸出的楼板、 住宅顶层的楼板， 这些特殊楼板根据规范规定适当增加配筋，不随意增加。优选主楼基础形式高层住宅的基础造价约占总造价的 20%25%，正确选择基础类型、合理布置基础将会 降低造价。对层数不大于 12 层的小高层住宅，如果基底持力层是承载力较好的粘性土或砂土层， 可以考虑采用 CFG 桩复合地基。 12 层以上的高层住宅通常采用桩筏基础或者桩基承台基础。 采用桩基时，需进行桩型、桩径、桩长等多方案技术经济性比较。不同地质情况可选用不同桩型， 设计单桩承载力尽量

14、接近桩身结构强度。减少一柱一桩，尽量将桩布置在墙下，这样上部荷载直接传递给桩， 承台厚度可适当减小。 筏板基础宜适当出挑， 一般出挑 0.5m 一 2m 左右， 有基础梁时宜将梁一起出挑。 如果剪力墙布置间距较小或者很多墙肢不对齐， 建议选 择桩筏基础，因为若选用桩基承台基础需要设大量的承台梁，而承台梁的箍筋用量很大。地库选型和抗浮设计许多高层住宅周边有地下车库， 地库面积往往比较大有时还是双层地库。 梁板式楼盖荷 载传递路径明确， 受力性能比较好， 而地库顶板以上的景观布置和消防车道荷载具有诸多不 确定性，所以地库顶板仍建议采用梁板式楼盖。双层地库的中间层楼板建议采用无梁楼盖+正柱帽，地库底

15、板建议采用平筏板+倒柱帽，因为无梁楼盖和平筏板可以降低地下室层高。降低地下室层高带来诸多方面经济性改善： 基坑开挖土方量减少、 外墙防水面积减少、 降水 费用减少，而且无梁楼盖和平筏板的施工难度比梁板式楼盖小，节省了工时费用。笔者曾对青岛地区某高层建筑周边地库分别采用上述两种楼盖形式，经计算无梁楼盖方案的混凝土用量提高了约 15%，但钢筋用量降低了约 15%。考虑到新版混凝土规范计算板 裂缝的荷载组合从标准组合改成了准永久组合，无梁楼盖方案的含钢量经济性会更加明显。双层地库底板下通常要打抗浮桩， 而且抗浮桩承载力不高、 数量巨大。 建议采用植筋的 办法在地库负二层、 负一层顶板设短梁与地库周边支护桩连接， 这样可以抵消一部分水浮力，从而减少了抗浮桩的数量。4、结语安全和经济是结构设计工作的两项基本原则,结构设计师既要对高层住宅的投资建设方负