昆山市云山诗意花园住宅小区结构优化设计探讨

所属栏目：环境法论文发布日期：2010-09-08 15:40 热度：

　　[摘要]本文结合昆山市云山诗意花园住宅区优化设计实例，分析了设计阶段影响工程造价的主要因素，总结了钢筋混凝土剪力墙住宅优化设计，特别是如何降低含钢量的措施，供业内人士参考。
　　[关键词]结构优化，降低含钢量，具体措施
　　
　　1概述
　　云山诗意花园住宅小区以徽派建筑为基调，融合一些其他中国民居元素。徽式建筑中的马头墙，人字型屋面，斜坡挑檐等在高层和裙房中大量应用，缀以点晴用花窗、圆拱门，使建筑高低错落疏密有致，清新淡雅，纯朴自然。见图1
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　　2建筑结构选型与布置的优化
　　根据开发商提出的含钢量要求，通过结构选型和布置，使结构体系和平面布局达到最合理并满足建筑功能的要求。列举如下：
　　（1）选择比较规则的平面方案和立面方案。应尽量避免平面凹凸不规则或楼板开大洞，控制平面长宽比，合理设缝，使结构刚度中心与质量重心尽量接近。竖向应避免有过大的外挑和内收，同时注意限制薄弱层、跃层、转换层等不利因素，使侧向刚度和水平承载力沿高度均匀平缓变化。如图2：
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　　（2）应根据建筑布局、高度和使用功能要求选择经济合理的结构体系。比如，7度、Ⅲ类场地地区短肢剪力墙比普通剪力墙含钢量高，在可能的情况下尽量用后者。一般剪力墙有利于降低竖向构件的配筋率以减少暗柱数量，其边缘构件纵向筋配筋率往往较低。
　　(3)小高层、中高层剪力墙住宅结构剪力墙的优化空间较大。剪力墙的布置，根据建筑功能要求和内部隔墙的分布，并按照“均匀、分散、对称、周边”的原则，以使结构整体有较好的抗侧移和抗扭转能力。合理调整结构构件截面，使抗震结构体系刚度和承载力沿竖向变化均匀，且受力明确，以提高结构的抗震性能。在满足规范及计算的前提下尽量减少剪力墙的数量，限制墙肢长度，控制连梁的刚度，平面能布置成大空间的尽量布置成大空间，墙体的厚度满足构造要求和轴压比的要求即可。尽量少用短肢剪力墙，限制一字墙。
　　（4）一般剪力墙结构标准层墙体厚度取200，该工程(一期)1~15#楼（12~16层）剪力墙住宅，结合高规的规定，对T、L和一字型墙体，其中某一段墙肢长度大于1.6m时，可视为一般剪力墙（PKPM建模中输入1.7~1.8m）。由于底层层高为5.0m（架空层、商场），为满足墙体稳定性的需要，加厚墙体和加长墙体。墙厚取值一般为250~350，按照高规规定，仅加厚墙体而不增加墙长，墙体会转化为短肢剪力墙。对此情况底层剪力墙的配筋是否应严格遵守高规的规定是值得商榷的问题。考虑建筑功能要求，对底层、及地下室部分剪力墙的厚采用250、300、350,墙长满足稳定要求。通过以上两点细化，可适当减小剪力墙含钢量。
　　(5)短肢剪力墙是指墙肢截面高度与厚度之比为5~8的剪力墙，当墙肢截面高度与厚度之比虽为5~8，但墙肢二侧均与较强连梁（连梁净跨与连梁截面高度之比L/h≤2.5）或墙长较短但与翼墙相连时（翼墙长度不小于翼墙厚度的5倍），可不作为“短肢剪力墙”。当短肢剪力墙的两侧与较强的连梁（L/h≤2.5）相连时，应属于延性和抗震性能较好的联肢墙，不属于短肢剪力墙，带较宽翼缘的短肢剪力墙比一字形墙的抗震性能好，也可不计入短肢剪力墙范围。图3。
　　
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　　（6）剪力墙结构仅少量墙肢不落地，做框支转换，且其负荷面积占楼层面积范围很小时（≤8%），可仅按个别构件转换考虑，不必把整个层都作为转换层。局部转换，一个楼层仅有小范围转换，仅需局部设置少数转换构件，这就是结构的局部转换。两种转换在结构受力上虽然都存在相似的缺点，但程度上有很大的不同。整体转换的结构不但在竖向荷载下传力不直接，传力路径复杂，而且转换层上、下部楼层结构竖向刚度发生突变，地震作用下易形成结构下部变形过大的软弱层，进而发展成为承载力不足的薄弱层，抗震性能很差，在大震时易倒塌。对结构的影响是整体性的，程度很严重。局部转换虽然竖向荷载下，结构传力不直接、传力路径复杂，但结构的楼层竖向刚度一般不会发生突变。
　　（7）剪力墙的窗下墙尽量用轻质填充墙，可延长周期，并节约造价。
　　3基础设计优化
　　基础造价占结构比重较大，基础的节省将对整个工程造价的降低起到重要性的作用。基础设计的关键是合理选择基础形式。一般低层住宅优先考虑浅埋天然基础，多层住宅优先考虑沉降控制复合桩基、地基处理。设置地下室时，要对地下室的埋深、抗浮水位、桩型、底板顶板结构形式、侧墙设计等内容进行充分比较和科学论证，尽可能用科学合理的方法节省造价。
　　3.1基桩及承台
　　采用基桩时，需进行桩型、桩径、桩长等多方案的技术经济比较。桩基比较时要考虑承台造价。不同单体，不同地质情况可选用不同的桩型，地基土对桩的支承能力尽量接近桩身结构强度，尽可能发挥桩的作用。
　　布桩时优先考虑在剪力墙或柱下布桩（荷载直接传递，承台厚度小）并按群桩形心、荷载重心、基础中心“三心”尽量靠近原则作优化调整。单个承台及整体布桩的布桩系数（上部总荷载与单桩承载力总和的比值）控制在0.75~0.90之间。基础厚度在满足抗冲切、抗剪切的要求下尽可能降低板厚。
　　与承台相连的基础梁计算长度不必取轴线间距离，否则配筋会增大，采用1.05倍净跨度。合理选择地梁的断面并控制梁的截面尺寸和配筋。独立基础采用锥形基础。
　　3.2天然基础
　　裙楼及多层采用天然基础部分，如独立基础设计为锥形基础，边缘厚度取200～300。无地下室部分且表层土质较好的浅基础不设计拉结地梁，隔墙砌在加厚的混凝土地面上。筏板基础：天然地基底板应设计为带柱墩的平板式筏基，柱墩取板厚的2-3倍；柱墩钢筋满足构造和计算时应一半弯起，一半在柱墩边截断，底板下部钢筋与柱墩弯起钢筋搭接；高层建筑底板设计应考虑上部结构的刚度，对于地基均匀且上部结构规整的筏板基础，应按倒楼盖法进行计算；筏基底板宜适当出挑，一般出挑0.5m~2.0m左右，有梁时宜将梁一起出挑，当有柔性防水层时不宜出挑，一般出挑边跨跨长的1/4。
　　3.3地下车库
　　比较地下车库底板的几种结构形式如：“独基（桩基承台）+防水板”、“柱墩+无梁楼盖”、“承台+地梁+防水板”等几种，应根据建筑、荷载和场地条件进行多方案技术经济分析比较后再选择最合理的方案。消防电梯的集水井应与建筑专业沟通协调，尽量将其移至承台以外的区域，通过预埋管道连通基坑和集水井，此方法处理，可大大简化承台设计和施工难度，达到节省工程造价的目的。
　　4构件配筋设计优化
　　4.1通用优化措施
　　在施工图阶段，主要通过对构件的精细化配筋设计降低含钢量。包括两方面工作，一是合理选择钢筋级别，二是合理控制钢筋用量。
　　(1)采用软件计算配筋时尽量采用人工配筋，钢筋归并系数小一些。自动生成的配筋不尽合理，不宜直接使用。
　　(2)结构竖向应按计算结果划分区段，使各区段内配筋相差不大，再分段出图。多层宜层层出图，高层宜每3~4层为一段出图（标准层）。
　　(3)受力钢筋尽量选用HRB400级钢，当受力很小或构造配筋可采用HRB335级钢筋、HPB235级钢筋。
　　(4)《建筑抗震设计规范》第3.9.3条要求，普通纵向受力钢筋优先采用HRB400级热轧钢筋，箍筋优先选用HRB335级和HRB400级热轧钢筋。
　　(5)凡抗裂钢筋均应采用细密钢筋，钢筋级别不宜超过HRB400级，钢筋间距不宜大于150mm。
　　(6)分布筋、拉结筋、架立筋等起辅助作用的钢筋采用HPB235（d≤8）级钢筋、HRB335(d≥10)级钢筋。
　　4.2梁板配筋优化措施
　　楼板的配筋应以HRB335、HRB400级钢筋为主。HPB235级钢筋作为楼板钢筋由于强度较低，往往由配筋率起控制作用，不经济。一般楼层端跨及跨度大于3900的楼板，上筋需拉通时可采用支座1/4板跨按计算配筋，跨中用小直径钢筋（如6mm）与支座钢筋受拉搭接的方法连接，以节省钢筋。
　　板厚≥150时，可能抗震或构造控制，宜用HRB335级钢筋。分布筋宜采用HPB235级钢筋。
　　（1）梁、柱钢筋直径≥16mm时宜采用HRB400级，直径＜16mm时宜采用HRB335级。剪力墙暗柱主筋按相同原则处理。梁的最小配筋率与钢筋强度反相关，柱采用HRB400级钢筋的最小配筋率比HRB335级钢小0.1%，故主筋宜采用HRB400级钢筋。
　　(2)梁的上部纵筋一般不放大，下部纵筋略放大，一般放大5%~10%且不宜超过15%。
　　（3）梁纵筋尽量采用较细钢筋（如以3E18代替2E22）,可减少裂缝和钢筋锚固长度。
　　（4）次梁和四级框架梁的架立筋（含角筋）不用贯通，中间可用E10~E12钢筋搭接，搭接长度150mm，搭接部位一般在/3处，见《混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则和构造详图》(03G101-1)(修订版)。当梁跨度≤4m或支座负筋直径≤16时，分段搭接未必节省，可不分段。
　　(5)非框支梁的普通框架梁，其下部钢筋不需要全部伸入支座，可在节点附近部分截断，见《混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则和构造详图》(03G101-1)(修订版)。
　　(6)梁板结构，计算梁的构造腰筋时，应扣除楼板厚度，腰筋宜用HRB335级。
　　（7）梁柱最小配筋率与钢筋强度成反比，钢筋强度越高越经济，故箍筋宜采用HRB400级（d=6,8,16,…）,和HRB335级（d=10~14）。HPB235级钢筋因强度低，与混凝土粘结握裹性能差、最小配筋率高等原因不推荐使用。箍筋间距应细分，不能只取@100、150、200几种间距。
　　HRB400级钢的延性、可焊性已经大幅提高，与混凝土的粘结握裹能力也比圆钢强，可大规模用作箍筋。
　　（8）梁上集中荷载处附加横向钢筋，优先考虑箍筋，箍筋不足时，再加吊筋，吊筋不宜小于212。
　　（9）配置抗扭钢筋时，应将构造腰筋计入到抗扭纵筋中。
　　（10）尽量避免梁宽≥350，否则箍筋按构造要求需采用4肢箍筋，造成箍筋用量增加。
　　（11）次梁钢筋可按非抗震设计要求锚固搭接，即以代替。
　　（12）压顶梁、圈梁、构造柱主筋应采用HRB335级，箍筋应采用HPB235级。
　　（13）门窗过梁应根据跨度及荷载大小分段配筋，不能不分跨度大小采用同一截面配筋。
　　（14）所有主筋均可采用两种直径钢筋搭配配筋，使配筋面积尽量接近计算或构造要求。
　　4.3剪力墙、柱配筋要求
　　一般剪力墙的配筋率根据高规的规定：其竖向和水平分布筋的配筋率，抗震设计为一~三级时均不应小于0.25%，抗震设计四级和非抗震设计不应小于0.20%。
　　(1)剪力墙墙身水平筋用HPB235、HRB400级（d≤8）和HRB335级钢筋（d≥10），垂直筋用HRB400级（d≤8）和HRB335级（d≥10）。
　　（2）约束构造边缘构件中按抗震等级、剪力墙部位确定纵筋配筋率和配箍率时，主筋及箍筋间距不一定取50倍数，也可取其它数值，如不一定只取@100、@150，也可取@120、@125、@140等数值。
　　（3）构造边缘构件暗柱一般不考虑体积配箍率，但应满足《高层建筑混凝土结构技术规程》第7.2.17条第4款的规定，配箍特征值不宜小于=0.1
　　(4)当剪力墙水平分布钢筋在约束边缘构件内确有可靠锚固时，也可与其它封闭箍筋、拉筋一起作为约束箍筋计算。
　　（5）十字型剪力墙，交叉部位可按构造要求配筋，L型、T型等剪力墙可考虑组合配筋优化。
　　（6）框架柱、剪力墙暗柱的分布筋可采用HRB335级钢筋直径12~14
　　5结语
　　综上所述，通过结构设计人员的细致工作是可以降低结构工程的含钢量和整个建筑工程的造价的。该工程含钢量低于开发商控制指标10%，得到开发商的充分肯定。当然，并不是提倡含钢量越少越好，只有深刻理解规范条文和结构受力原理、合理地进行结构布置、正确的选用荷载和选择计算参数，并且重视结构的概念设计，同时选择适度的构造措施，才能作出既安全又经济的结构。

文章标题：昆山市云山诗意花园住宅小区结构优化设计探讨

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