高層住宅小戶型設(shè)計(jì)優(yōu)化研究及應(yīng)用

上海建工房產(chǎn)有限公司 上海 200080

本文圍繞高層保障房建筑設(shè)計(jì)優(yōu)化和結(jié)構(gòu)用鋼量控制技術(shù)開(kāi)展研究，并結(jié)合上海市某保障房工程，詳細(xì)介紹了該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)優(yōu)化方法。該工程總建筑面積299 818.32 m2，地下建筑面積34 253.87 m2，由15 棟17 層、12 棟14 層高層住宅樓組成，標(biāo)準(zhǔn)層層高2.8 m，均設(shè)置1 層地下室。

1 建筑設(shè)計(jì)優(yōu)化

高層保障房由于房型面積小、容積率高，建筑單體設(shè)計(jì)一般采用一梯多戶策略，這就對(duì)得房率高、房屋功能舒適度高的建筑房型設(shè)計(jì)提出了很大的挑戰(zhàn)。本工程對(duì)一梯四戶房型和一梯六戶房型進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，見(jiàn)圖1～圖4。

一梯四戶優(yōu)化前的房型，主要存在以下問(wèn)題：得房率為82%；該房型次臥室通風(fēng)及采光弱；衛(wèi)生間門對(duì)客廳。優(yōu)化后：得房率提高至85%；次臥室位置調(diào)整后，通風(fēng)采光良好；避免衛(wèi)生間門對(duì)客廳的不雅。

一梯六戶優(yōu)化前的房型，主要存在以下問(wèn)題：得房率為79%；戶型合用的前室無(wú)通風(fēng)采光，出現(xiàn)暗廳，影響戶型品質(zhì)；H戶型對(duì)應(yīng)布置家具的墻不到3 m，不利家具布置。通過(guò)調(diào)整后，得房率提高至83%；戶型合用的前室采光通風(fēng)良好；改變了H房型的廚房開(kāi)口方向，增長(zhǎng)了客廳右側(cè)墻面長(zhǎng)度。另外，墻體布局的調(diào)整使得結(jié)構(gòu)剪力墻墻體對(duì)正，增加了結(jié)構(gòu)抗側(cè)力剛度，從而控制了土建造價(jià)。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化[1-5]

2.1 建筑方案對(duì)用鋼量的影響

圖1 一梯四戶優(yōu)化前建筑房型

圖2 一梯四戶優(yōu)化后建筑房型

圖3 一梯六戶優(yōu)化前建筑房型

圖4 一梯六戶優(yōu)化后建筑房型

2.1.1 建筑體量對(duì)用鋼量的影響

建筑體量主要是指建筑的平面長(zhǎng)度、平面的長(zhǎng)寬比、建筑物的高度和高寬比。超長(zhǎng)建筑還應(yīng)考慮到混凝土的收縮應(yīng)力和溫度應(yīng)力，會(huì)增加很多抗裂措施而增加造價(jià)；而長(zhǎng)寬比過(guò)大即平面過(guò)于狹長(zhǎng)的建筑物在地震作用下，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)特性更為顯著，為了增加抗扭轉(zhuǎn)剛度，會(huì)增加抗側(cè)力構(gòu)件的布置，從而導(dǎo)致混凝土的增加和用鋼量的增加；高寬比大的建筑為了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定并控制結(jié)構(gòu)側(cè)向位移，勢(shì)必要設(shè)置剛度及強(qiáng)度較大的抗側(cè)力構(gòu)件來(lái)提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，這些都會(huì)使得用鋼量增加。

2.1.2 平、立面形狀對(duì)用鋼量的影響

有些建筑為追求外觀效果，經(jīng)常會(huì)采用在平面上大凸大凹、在立面上大收大挑及高位轉(zhuǎn)換等手法，但這會(huì)給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)許多困難，容易造成抗震超限等問(wèn)題，會(huì)大幅度提高建造成本。

2.2 結(jié)構(gòu)方案對(duì)用鋼量的影響

2.2.1 樁基設(shè)計(jì)優(yōu)化

上海軟土地基的樁型一般多選用預(yù)應(yīng)力管樁、鉆孔灌注樁，而傳統(tǒng)的樁基承載力計(jì)算一般是根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告中的土層數(shù)據(jù)確定，但地質(zhì)報(bào)告中的數(shù)據(jù)又是通過(guò)土工試驗(yàn)的結(jié)果轉(zhuǎn)換得出，不能充分體現(xiàn)原狀土的土體承載力，一般取值比較保守。而通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試樁得出的樁基承載力，可充分體現(xiàn)建筑工程樁基的實(shí)際承載能力。以筆者所在公司開(kāi)發(fā)的上海市某保障性住房項(xiàng)目為例，工程抗壓樁選用PHCΦ400mm AB 95預(yù)應(yīng)力管樁，樁長(zhǎng)30 m，樁端入地質(zhì)⑦1層4.6 m，根據(jù)地勘報(bào)告計(jì)算的單樁承載力設(shè)計(jì)值為1 050 kN，而試樁抗壓承載力極限值卻達(dá)到2 400 kN，比根據(jù)地質(zhì)報(bào)告得出的抗壓承載力可提高近20%，按此調(diào)整樁型和布樁方式，樁基造價(jià)可大幅減少。

2.2.2 基礎(chǔ)布置形式優(yōu)化

作為建筑物的重要組成部分，地基基礎(chǔ)的造價(jià)占總造價(jià)的10%～20%，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候選擇好基礎(chǔ)形式將有利于合理地控制工程造價(jià)。對(duì)某一具體建筑，要選擇多種方案進(jìn)行比選，只有經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，嚴(yán)格遵循相關(guān)規(guī)范，才能得出合理經(jīng)濟(jì)的方案。

仍以該工程某號(hào)樓為例，其高層住宅選用了2 種基礎(chǔ)底板布置形式進(jìn)行比較。方案一：樁基聯(lián)合承臺(tái)+厚350 mm防水靜力板，見(jiàn)圖5，用鋼質(zhì)量總計(jì)14.1 t；方案二：梁板式樁基，基礎(chǔ)梁600 mm×800 mm，板厚400 mm，見(jiàn)圖6，該方案用鋼質(zhì)量15.2 t。經(jīng)與相關(guān)部門技術(shù)評(píng)審，上海軟土地區(qū)適宜采用方案二，該方案造價(jià)雖然略高，但整體剛度大，該基礎(chǔ)形式更符合基礎(chǔ)受力特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)剪力墻通過(guò)地基梁將上部荷載傳至樁，基礎(chǔ)底板則應(yīng)考慮水浮力和部分上部荷載的作用。

2.2.3 抗側(cè)力構(gòu)件平面布置優(yōu)化

圖5 基礎(chǔ)底板布置方案一

圖6 基礎(chǔ)底板布置方案二

抗側(cè)力構(gòu)件（剪力墻）的布置是為了抵抗水平力的作用，為防止扭轉(zhuǎn)，講究“金角銀邊草肚皮”，可將剪力墻盡量設(shè)置在建筑端部和角部，以增大整體的抗側(cè)剛度和扭轉(zhuǎn)慣性矩。因此，剪力墻的優(yōu)化方向有兩點(diǎn)：一是調(diào)整剪力墻布置位置，以最少的墻體布置獲得最好的抗震結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)；二是剪力墻墻肢應(yīng)盡量避免出現(xiàn)短肢剪力墻。

還是以該工程 1#～2#樓（B房型）、3#～6#樓（D房型）為例，將厚200 mm剪力墻總長(zhǎng)分別從94.25 m（B房型）和106.65 m（D房型），優(yōu)化至84.45 m和96.35 m，節(jié)省了不少鋼材。

2.3 結(jié)構(gòu)計(jì)算優(yōu)化

結(jié)構(gòu)計(jì)算優(yōu)化，主要體現(xiàn)在施工圖須精細(xì)化設(shè)計(jì)，主要是控制計(jì)算輸入?yún)?shù)、計(jì)算模型建立和計(jì)算結(jié)果指標(biāo)。其中輸入?yún)?shù)主要有：混凝土密度、荷載信息、周期折減系數(shù)等；計(jì)算結(jié)果控制指標(biāo)包括將周期比、位移比、層間位移角、剪重比、剛重比、剛度比、軸壓比等均設(shè)在合理的范圍內(nèi)，如：周期比均在0.8以下，偶然偏心作用下的位移比均不大于1.2，層間位移角均控制在1/1 050左右、剪力墻軸壓比大多數(shù)小于0.4等。經(jīng)以上措施，有效減小了結(jié)構(gòu)體系的地震反力及扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，對(duì)提升經(jīng)濟(jì)性大有裨益。

2.4 結(jié)構(gòu)構(gòu)造優(yōu)化

2.4.1 樓板配筋設(shè)計(jì)優(yōu)化

在結(jié)構(gòu)薄弱部位，如樓層電梯間，走道樓板厚度為130 mm，常規(guī)設(shè)計(jì)在薄弱部位樓板均有加強(qiáng)，一般頂面筋雙向貫通至Φ8 mm@150 mm，本工程優(yōu)化后見(jiàn)圖7，最終采用了板面分離式配筋，按最小配筋率配筋為Φ8 mm@190 mm。

2.4.2 剪力墻設(shè)計(jì)優(yōu)化

在PKPM軟件計(jì)算中，當(dāng)剪力墻滿足平截面假定時(shí)，可采用組合配筋計(jì)算結(jié)果。本工程L形剪力墻PKPM計(jì)算結(jié)果，長(zhǎng)肢方向?yàn)?，短肢方向?yàn)?，則采用組合配筋方式和不采用組合配筋方式對(duì)比見(jiàn)圖8。經(jīng)與審圖公司溝通，最終選用了組合配筋，剪力墻配筋大幅優(yōu)化。

圖7 樓板配筋優(yōu)化

圖8 剪力墻暗柱配筋對(duì)比

3 實(shí)施效果

本工程經(jīng)采取以上措施后，上部結(jié)構(gòu)用鋼量指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)層從51～53 kg/m2，降低到39 kg/m2，地下室用鋼量指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)從150～170 kg/m2降低到122 kg/m2（1#樓）和118 kg/m2（2#、3#樓）；住宅結(jié)構(gòu)綜合用鋼量從63 kg/m2降低到45.2 kg/m2（1#樓）和44.8 kg/m2（2#、3#樓）。共節(jié)約造價(jià)70～90 元/m2（以鋼筋綜合造價(jià)6元/kg計(jì)），工程樁節(jié)省造價(jià)約600 萬(wàn)元，為類似工程積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。