高層住宅建筑結構設計成本優(yōu)化分析

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摘要:本文簡述設計各階段與成本管理的相互關系，介紹高層住宅剪力墻結構設計的基本流程，重點就建筑結構設計成本優(yōu)化的方法進行介紹，并結合公司某在建項目建筑結構設計優(yōu)化經(jīng)驗進行分享。旨在提高對建筑結構設計重要性的認識，提升對建筑結構設計優(yōu)化原理的了解，并為后續(xù)項目的優(yōu)化設計提供參考。

關鍵詞:成本管理;剪力墻結構設計;設計優(yōu)化

前言

設計階段是成本管理的關鍵階段，設計階段的造價是建安工程費用控制的關鍵，優(yōu)秀的設計是項目盈利最基本的保障。設計階段成本管理兩大關鍵要求就是在設計任務書中要求限額設計，再組織設計結果評審進行成本驗算。本文主要針對設計階段中建筑結構施工圖設計階段，如何通過設計優(yōu)化，從而達到控制成本的目的。

1工程概況

1．1建筑設計總體概況

某工程位于翔安大道與翔福路交叉口東南側，總建筑面積58000m2，地上總建筑面積43000m2，地下室建筑面積15000m2，建筑層數(shù)為地上1～33層，地下1層。包括7棟單體建筑，1#、2#樓33層，總建筑高度97．8m，底層公共架空，2層至頂層均為住宅;3#樓32層總建筑高度94．9m，底層公共架空，2層至頂層均為住宅;4#樓為1層的變電所;5#～7#樓地上為3棟4～6層多層住宅。

1．2結構設計工程概況

結構設計使用年限為50年，建筑抗震設防類別為丙類，建筑結構安全等級為二級，所在地區(qū)的抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度0．15g，設計地震分組:第2組;場地類別:Ⅱ類;結構抗震等級:1#～3#樓抗震等級二級，4#～7#樓抗震等級三級。50年一遇的基本風壓:0．80kN/m2，地面粗糙度:B類。上部結構體系:1#～3#樓為剪力墻結構，4#～7#樓為框架結構。

2高層建筑結構設計

2．1建筑結構設計的步驟

確認結構設計原始條件，進行結構選型和布置，手算、估算結構截面，確定上機計算各參數(shù)、各荷載，計算機建模計算，根據(jù)電算結果分析、判斷，進行模型調(diào)整計算，合理后確定繪圖各參數(shù)，繪制施工圖，施工圖檢查調(diào)整，出圖。

2．1．1結構選型和布置根據(jù)房屋適用高度和高寬比要求，本項目1#－3#樓建筑高度均在80～100m，抗震設防烈度為7度，參考表1可選用框架－剪力墻結構和剪力墻結構兩種結構體系?？蚣埽袅Y構的特點是能獲得較大的空間、房間布置靈活，但框架柱截面尺寸較大。剪力墻結構特點是室內(nèi)沒有外凸的柱角，方便家具的布置和分隔，有利于分戶、防火、防盜、隔聲，但空間靈活性較大。本工程為住宅項目，結合兩種結構體系各自的特點，采用剪力墻結構體系更能符合功能性、適用性要求。確定剪力墻的布置原則是剪力墻結構設計的關鍵第一步。剪力墻結構體系中，剪力墻除承受豎向荷載外，還要承受水平力的作用，抵抗水平力能力的大小由剪力墻結構的側向剛度大小決定，而剪力墻布置的位置、長度、厚度決定了剪力墻結構的剛度和剛度分布。為得到較大的平面剛度和抗扭剛度，剪力墻結構中剪力墻要遵循“周邊、對稱、成對、封閉”等布置原則。

2．1．2估算結構截面按規(guī)范要求，本工程高層建筑剪力墻厚度底部加強部位不應小于200mm。結合設計經(jīng)驗，30層左右高層初選剪力墻截面厚度為200～350mm，宜按300mm厚進行估算。剪力墻的長度宜取8倍或8倍以上厚度，且不宜大于8m，避免出現(xiàn)墻肢長度不大于墻厚的3倍的過短墻肢或過長的墻肢。同時考慮建筑門、窗洞口的位置初步確定剪力墻的長度。

2．1．3電算結果分析、判斷通過PKPM或YJK電腦計算軟件建立結構設計模型，布置構件，輸入荷載和計算參數(shù)，進行結構計算得出結果。電算結果分析、判斷目標主要參數(shù)如下:①軸壓比，控制剪力墻在垂直重力荷載作用下的平均軸壓比水平為0．5左右，以保證經(jīng)濟性;②剪重比，主要為控制各樓層最小地震剪力，確保結構安全性;③剛度比和層間受剪承載力比，主要為控制結構豎向規(guī)則性，以免豎向剛度突變，形成薄弱層，確保結構安全性和設計的經(jīng)濟性;④周期比、位移比，主要為控制結構平面規(guī)則性，以避免產(chǎn)生過大的偏心而導致結構產(chǎn)生較大的扭轉效應，減小扭轉對結構產(chǎn)生的不利影響，剪力墻結構位移比控制在1/1000以內(nèi)并盡量接近，確保設計經(jīng)濟性;⑤剛重比，主要為控制結構的穩(wěn)定性，避免結構在風載或地震力的作用下整體失穩(wěn)，確保結構的安全性。

2．1．4繪制施工圖在施工圖繪制階段，按電算結果確定的構件截面、混凝土強度、配筋數(shù)據(jù)等信息，以規(guī)范和圖集要求的制度標準，繪制出符合深度要求的結構施工圖。在電算階段主要是解決結構整體的安全性問題，施工圖階段主要是要考慮建筑構造要求，保證建筑結構的耐久性要求，同時，施工圖應能滿足現(xiàn)場施工的深度和細度要求。

2．2剪力墻結構設計成本控制要點

2．2．1重視概念設計了解鋼筋混凝土剪力墻結構整體性好，側向剛度大，承載力大，但空間靈活性較差、結構自重較大的特性，發(fā)揮其所長，克服其所短，重視概念設計。從總體上合理布置剪力墻的位置，確定剪力墻的數(shù)量、剪力墻的長度、剪力墻的厚度，保證剪力墻結構剛度均勻和剛度適宜。

2．2．2重視規(guī)則性應重視其平面、立面和豎向剖面的規(guī)則性對抗震性能及經(jīng)濟合理性的影響，宜擇優(yōu)選用規(guī)則的形體，其抗側力構件的平面布置宜規(guī)則對稱、側向剛度沿豎向宜均勻變化、豎向抗側力構件的截面尺寸和材料強度宜自下而上逐漸減小、避免側向剛度和承載力突變。高層建筑結構應控制建筑的高寬比、長寬比、立面的凹凸、樓板開洞、豎向構件不連續(xù)等指標。

2．2．3重視結構層高結構側移已成為高層建筑結構設計的關鍵因素。隨著建筑高度增加，水平荷載作用下結構側向變形迅速增大，結構側移與高度呈四次方關系上升。在高層建筑結構設計中，不僅要求結構具有足夠的強度，而且要求具有足夠的抗側移剛度，以保證結構的側向變形?？刂茖痈?，可降低水平力的作用，減少抗側移構件面積，進而降低成本。據(jù)經(jīng)驗，層高每增加10cm，土建建造成本增加2%～5%。

2．2．4重視荷載1)從荷載組合上，把握好地下室頂板覆土厚度和頂板消防車荷載、施工活荷載的控制，應考慮覆土層擴散作用對消防車荷載的折減，覆土荷載和施工活荷載不同時組合。2)從材料選擇上，內(nèi)、外隔墻盡量選用輕質(zhì)材料，減小豎向作用荷載。

2．2．5重視電算參數(shù)合理考慮周期折減系數(shù)、雙向地震扭轉效應、偶然偏心、斜交抗側力構件方向的附加地震作用等電算參數(shù)。周期折減系數(shù)的取值直接影響到剪力墻的配筋，盲目折減，造成剛度過大，吸收的地震作用也增大，導致剪力墻配筋增大?？紤]雙向地震作用后結構配筋一般增加5%～8%，單構件最大可能增加1倍左右?？刂莆灰票炔怀瑯耸鞘欠窨紤]雙向地震作用的關鍵?？紤]偶然偏心后結構墻及梁用鋼量將增加3%左右?？紤]多方向地震對構件配筋平均增加5%左右。

3剪力墻結構設計優(yōu)化

3．1剪力墻布置位置的優(yōu)化

7度區(qū)高層住宅剪力墻結構，標準層單位面積含鋼量中，剪力墻墻身用鋼量約占45%～65%，剪力墻邊緣構件用鋼量約占30%～50%。在結構設計中，應特別注意剪力墻的布置，減少不必要的暗柱布置，具體可采取如下措施:強周邊、弱中部;多均勻長墻、少短墻;多L形、T形、十字形墻肢、少復雜形狀;沿高度均勻變化;各墻肢軸壓比接近。

3．2剪力墻數(shù)量、長度及厚度的優(yōu)化

1)剪力墻的布置數(shù)量可利用層間位移角指標來控制，純剪結構的層間位移角盡可能接近限值1/1000，使結構體系剛度適宜，剪力墻的布置數(shù)量合理。2)剪力墻長度除盡量避免出現(xiàn)短肢剪力墻外，還應限制墻肢的軸壓比，控制在0．5左右為宜。3)剪力墻厚度在滿足墻體穩(wěn)定性驗算、剪力墻軸壓比限值等要求外，宜按規(guī)范要求的最小剪力墻厚度取整50mm進行設計。

3．3其他設計優(yōu)化

1)剪力墻混凝土強度，宜沿樓層從下到上逐漸降低，100m以內(nèi)高層，低層不宜超C45，上部樓層以C30為宜，頂部可降低到C25。2)暗梁布置，純剪力墻結構在樓層處不必設置暗梁。3)梁板布置時，梁的經(jīng)濟跨度一般為3．0～5．0m之間，樓板厚度一般按撓度、裂縫及板內(nèi)設備穿管的最低要求取值。4)剪力墻配筋時，要嚴格區(qū)分底部加強部位和非加強部位，對墻段豎向分布筋等通常不由內(nèi)力控制的鋼筋，僅需按最小配筋率配制，不須提高其配筋量。

3．4本項目高層住宅優(yōu)化簡述

1)內(nèi)部隔墻厚度優(yōu)化，部分墻體厚度由200厚改成100mm厚，減少材料費用，同時，減低結構荷載。2)剪力墻厚度優(yōu)化，Y向布置剪力墻其中1、4、6、8、10、13、15、18軸29層至33層墻體厚度由250mm改成200mm，X向布置剪力墻其中D、E軸2層至33層墻體厚度由250mm改成200mm。3)次梁架立筋配筋優(yōu)化，將次梁的原設計架立筋由2C12修改為2C10;未設計架立筋的，將通長鋼筋改成2C10架立筋。4)約束邊緣構件配筋優(yōu)化，將墻肢軸壓比小于0．4的約束邊緣構件箍筋由C10@100改成C8@100。5)外墻裝飾線條節(jié)點大樣優(yōu)化。6)通過采取上述建筑結構設計優(yōu)化措施，節(jié)約建安成本約30萬元。

4結語

工程項目設計階段，在滿足安全性、耐久性的前提下，對結構設計的優(yōu)化，有利于實現(xiàn)建筑結構設計的經(jīng)濟性。作為設計人員和設計管理人員都應該對此高度重度，并在工程實踐中運用結構設計優(yōu)化的方法，將技術和經(jīng)濟有機結合，以提高項目的投資效益。

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作者：李智 單位：廈門海晟房地產(chǎn)開發(fā)有限公司