某住宅小區(qū)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

李勝利

【摘 要】在保證結(jié)構(gòu)整體滿足規(guī)范和受力要求前提下，從施工效率和結(jié)構(gòu)受力合理角度對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。分別對(duì)塔樓標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)布置、地下室樓蓋體系和基礎(chǔ)形式等進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過計(jì)算對(duì)比分析和優(yōu)化前后平均材料用量對(duì)比，可得出從本項(xiàng)目?jī)?yōu)化可取得較顯著經(jīng)濟(jì)效益。

【關(guān)鍵詞】施工效率;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;結(jié)構(gòu)整體指標(biāo);結(jié)構(gòu)承載力

中圖分類號(hào)： TU973文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）13-0159-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.13.076

0 引言

該項(xiàng)目位于華南地區(qū)，建筑面積約30萬m2，分為三期建設(shè)，均為住宅小區(qū)。原施工圖已全部出完，施工開始前對(duì)圖紙進(jìn)行會(huì)審，施工單位反饋原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工較復(fù)雜且存在較多的優(yōu)化空間。于是組織相關(guān)各方和設(shè)計(jì)院對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，分別從施工角度和結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性方面進(jìn)行優(yōu)化，即節(jié)省土建造價(jià)，又方便施工提高施工效率。

該項(xiàng)目均為剪力墻結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類，場(chǎng)地特征周期為0.35s，抗震等級(jí)為三級(jí);50年一遇基本風(fēng)壓為0.85KN/m2，地面粗糙度B類，層高2.9m～3m，地上部分高度為84～94m，地下一層，局部地下兩層。

一般住宅項(xiàng)目建造成本中土建占比較大，尤其結(jié)構(gòu)部分中兩大主要材料—鋼筋和混凝土用量是直接經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，與施工進(jìn)度和施工效率密切相關(guān)。設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)分別從基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、地下室設(shè)計(jì)和塔樓標(biāo)準(zhǔn)層設(shè)計(jì)方面著手，從施工效率和結(jié)構(gòu)受力合理性方面進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

1 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)優(yōu)化

本項(xiàng)目巖土工程勘察報(bào)告表明，地層自上而下分別為：①素填土、②粉質(zhì)粘土、③砂質(zhì)粘土、④強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、⑤中風(fēng)化花崗巖。其中⑤層中風(fēng)化花崗巖全場(chǎng)地均有分布，巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD值介于25-70間，單軸飽和抗壓強(qiáng)度為45Mpa，承載力高，為理想的樁基持力層。

原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)塔樓部分采用樁徑1000mm沖孔灌注樁+2000mm厚筏板，其中為加大基礎(chǔ)埋深在筏板頂部設(shè)置1層結(jié)構(gòu)空腔層作為負(fù)1層底板，層高3米，該空腔層剪力墻拉直貫通，施工支模和拆模復(fù)雜。車庫(kù)部分基礎(chǔ)采用上反柱下條形基礎(chǔ)+筏板兼做防水板，上反基礎(chǔ)梁面高出底板面700mm，結(jié)構(gòu)施工完成后需大量回填土且不便于機(jī)械作業(yè)。

本項(xiàng)目所在地區(qū)處于基本風(fēng)壓大，抗震設(shè)防烈度低地區(qū)，塔樓平面和豎向均較規(guī)則，結(jié)構(gòu)高寬比約3.2，剛重比大，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性好，基礎(chǔ)埋深在能夠滿足穩(wěn)定性和抗傾覆的前提條件下，減少埋深可大幅減少土方開挖量和施工工程量。根據(jù)上部柱底內(nèi)力，塔樓基礎(chǔ)需采用樁基礎(chǔ)。結(jié)合項(xiàng)目地的工程經(jīng)驗(yàn)采用沖孔灌注樁為宜，施工方便，單樁承載力高。樁端持力層為中風(fēng)化花崗巖，按嵌巖樁進(jìn)行設(shè)計(jì)，樁端全斷面嵌入中風(fēng)化花崗巖深度不小于2D。筏板底部所在土層接近強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，建筑負(fù)一層完成面標(biāo)高為24.4m，原結(jié)構(gòu)地塊條形基礎(chǔ)頂標(biāo)高為23.1m，樁筏頂標(biāo)高為19.0m，高差為1.3～5.4m，標(biāo)高24.4m處基礎(chǔ)已滿足埋深要求。經(jīng)驗(yàn)算，按照建筑筏板頂標(biāo)高為24.4m，結(jié)構(gòu)整體抗滑移和抗傾覆均有滿足規(guī)范要求，于是可取消塔樓南側(cè)無建筑使用功能的結(jié)構(gòu)空腔層。另外原樁基布置采用等間距布置，樁中心與豎向荷載作用下剪力墻合力中心距離較大，附加彎矩大，筏板厚度較厚且內(nèi)力受力復(fù)雜，導(dǎo)致全樓樁數(shù)較多，筏板配筋較大。

考慮與地庫(kù)的較好銜接，優(yōu)化后塔樓基礎(chǔ)筏板頂標(biāo)高為為23.90m，取消結(jié)構(gòu)空腔層優(yōu)化樁基布置，采用沖孔灌注樁直徑1000mm，單樁承載力特征值為7000kN，墻柱中心線下布樁，經(jīng)驗(yàn)算筏板厚度可優(yōu)化至1500mm。地庫(kù)部分采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)+筏板兼做防水板，底板厚度300mm，柱下柱墩與底板設(shè)45°斜角進(jìn)行過度，方便地基開挖和防水施工，受力合理。優(yōu)化后基礎(chǔ)布置圖詳見圖1。

經(jīng)計(jì)算分析，優(yōu)化后的塔樓基礎(chǔ)和地庫(kù)部分基礎(chǔ)受力均勻，抗沖切等受力指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，筏板和底板配筋大部分區(qū)域均勻構(gòu)造配筋即可。優(yōu)化前后經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比詳見表1。優(yōu)化后平均混凝土用量節(jié)省36.19%，平均鋼筋含量節(jié)省42.79%，如考慮土方開挖量和回填量、施工措施等，優(yōu)化后基礎(chǔ)方具有更顯著經(jīng)濟(jì)效益。

2 地下室樓蓋體系優(yōu)化

該項(xiàng)目地下室2層，原設(shè)計(jì)地下室負(fù)一層和頂板樓蓋均采用井字梁，原結(jié)構(gòu)框架柱截面為600x600mm，頂板框架梁550×1000mm，次梁為400×700mm;負(fù)1層框架梁為550×900mm，次梁為300×700mm;頂板和負(fù)1層板厚均為250mm。計(jì)算結(jié)果表明，主次梁受力大、配筋大。導(dǎo)致施工模板耗費(fèi)較大，后期機(jī)電管線安裝復(fù)雜。

根據(jù)受荷載特點(diǎn)，對(duì)于荷載較大樓蓋應(yīng)采用加腋梁板或者主梁+大板方案，梁受力經(jīng)濟(jì)合理，對(duì)于普通樓蓋，宜采用十字梁或者雙次梁方案，使梁截面進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，方便鋼筋加工和樓板制作安裝。針對(duì)樓蓋面荷載的大小不同，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工條件，負(fù)1層樓蓋采用十字梁，地下室頂板樓蓋采用梁板加腋的大板結(jié)構(gòu)形式，取消次梁。頂板框架梁截面為600x800/1000mm（端部梁高加腋后高度為1000mm），板厚為200/500（主梁邊樓板厚度加腋至500mm）;負(fù)1層采用十字梁，框架梁為400x800mm，次梁為300x700mm，板厚為200mm。經(jīng)過結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，豎向荷載下樓蓋承載力和撓度均滿足規(guī)范要求。優(yōu)化前后樓蓋經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比詳見表2。優(yōu)化后平均混凝土用量節(jié)省18.11%，平均鋼筋含量節(jié)省21.59%，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

3 塔樓標(biāo)準(zhǔn)層設(shè)計(jì)優(yōu)化

本項(xiàng)目為普通住宅，標(biāo)準(zhǔn)層平面統(tǒng)一，橫平豎直。原標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置詳見圖1。從圖1可看出，主要有下列不利因素：1）原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)墻肢厚薄不一且存在較多端柱;2）沿塔樓豎向高度墻體厚度和長(zhǎng)度出現(xiàn)多次變化;3）梁截面尺寸規(guī)格不一;4）存在較多拉梁和外挑結(jié)構(gòu)板。從施工角度看，結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸如未能較好的進(jìn)行歸并統(tǒng)一，將導(dǎo)致模板耗費(fèi)較多，鋼筋制作類型也較多，施工成本較大且不利于施工工效的提高。

結(jié)合施工和結(jié)構(gòu)受力因素，本項(xiàng)目主要為風(fēng)荷載控制，原結(jié)構(gòu)布置未能較好的發(fā)揮核心筒的有利作用，設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)，加厚核心筒與南北兩側(cè)單元的連接樓板厚度，計(jì)算按照彈性樓蓋進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，墻體厚度自2層樓面開始，取消剪力墻大端柱，除周邊墻體厚度為300mm外其余墻體厚度均為200mm，墻肢長(zhǎng)度和連梁在塔樓標(biāo)準(zhǔn)層設(shè)計(jì)統(tǒng)一截面，外框架梁高度統(tǒng)一至窗頂，既有效提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度和抗扭剛度，又可節(jié)省門窗過梁的二次施工費(fèi)用。優(yōu)化后結(jié)構(gòu)布置詳見圖2。

通過結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)較原結(jié)構(gòu)布置更加合理，均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。結(jié)構(gòu)自重較優(yōu)化前更小，平均計(jì)算鋼筋含量由45.74kg/㎡優(yōu)化至40.45kg/㎡，節(jié)省11.56%，混凝土用量由0.34m3/㎡優(yōu)化至0.30m3/㎡，節(jié)省11.76%，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。結(jié)構(gòu)計(jì)算指標(biāo)對(duì)比詳見表3。

4 總結(jié)

在保證安全性和合理性的前提下，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)既可降低整體造價(jià)，又可提高施工效率。本項(xiàng)目從施工角度和結(jié)構(gòu)受力合理性方面對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，保證規(guī)范要求、結(jié)構(gòu)承載力和具備足夠的結(jié)構(gòu)可靠度前提下，塔樓地上部分通過優(yōu)化剪力墻布置，取消部分框架柱，增加戶內(nèi)使用面積，提高建筑使用空間，優(yōu)化樓層結(jié)構(gòu)梁高，提高建筑室內(nèi)凈高;地下室通過采用加腋梁板形式，減輕結(jié)構(gòu)自重，提高地下室凈高，更利于設(shè)備管線布置;基礎(chǔ)改為樁承臺(tái)+筏板板形式，大大減少結(jié)構(gòu)材料，滿足抗傾覆前提下適當(dāng)抬高基礎(chǔ)底標(biāo)高，減少現(xiàn)場(chǎng)開挖及地下室土方回填量等綜合措施，使得項(xiàng)目成本優(yōu)化經(jīng)濟(jì)效益明顯，施工更為方便高效。

【參考文獻(xiàn)】

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