房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計中的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化*

戚世鋒

(廣西桂川建設(shè)集團有限公司 廣西 玉林 537700)

1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)優(yōu)化概述

1.1 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化重點

基礎(chǔ)質(zhì)量的好壞直接影響到建筑物基礎(chǔ)的穩(wěn)定性,設(shè)計單位既要對以往的設(shè)計經(jīng)驗進行總結(jié),又要與建筑施工單位密切配合、有效地溝通,廣泛吸納建筑基層設(shè)計及施工方面的專業(yè)人士的觀點,最終制定出一份適合于項目實際的基層施工方案。比如房屋的抗震能力不僅取決于抗震墻體的建造要求,還取決于房屋的上、下兩部分結(jié)構(gòu)的配合[1]。因此,在進行房屋的結(jié)構(gòu)設(shè)計時,既要考慮抗震要求,又要考慮基礎(chǔ)的構(gòu)造形式,從而使基礎(chǔ)的構(gòu)造更加科學(xué)合理。

1.2 建筑整體結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化重點

建筑工程的總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計質(zhì)量和總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計水平對建筑工程的各個方面都有很大的影響,如建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能、抗剪能力、建筑資源消耗情況等。所以在進行建筑整體結(jié)構(gòu)設(shè)計時,一定要根據(jù)工程需要,有針對性地對建筑設(shè)計方案進行技術(shù)上的優(yōu)化。目前,我國建筑結(jié)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計主要有框架結(jié)構(gòu)、短肢剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)等,都具有獨特的構(gòu)造優(yōu)勢。因此,在進行建筑設(shè)計時,要根據(jù)建筑產(chǎn)品的使用目標(biāo)以及建設(shè)項目的實際條件,對其所包括的各項因素進行科學(xué)合理的技術(shù)優(yōu)化。

1.3 建筑結(jié)構(gòu)細(xì)部設(shè)計優(yōu)化重點

在建筑結(jié)構(gòu)中,將多個矩形板彼此相連,以增加結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力。同時,通過多個矩形板的組合方式,可以很好地控制墻體的角縫。此外,由于抗震墻體主要使用的是冷軋帶肋鋼筋,因此,在結(jié)構(gòu)抗震墻體的設(shè)計過程中,應(yīng)將其用量保持在一定的范圍內(nèi),以便于后期的現(xiàn)場施工作業(yè),并減少工程造價成本。在對建筑物進行細(xì)節(jié)設(shè)計的過程中,為保證細(xì)節(jié)的精度,經(jīng)常使用3D 建模方法來構(gòu)建細(xì)節(jié)建模,使得細(xì)節(jié)建模更直觀、更精確[2]。

2 建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施

2.1 概念設(shè)計優(yōu)化技術(shù)措施

為了確保建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的連貫性,在進行設(shè)計前,設(shè)計團隊?wèi)?yīng)該對建筑物所在的區(qū)域進行實地考察,獲得第一手的設(shè)計資料,一起討論建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的思路,著重討論建筑材料的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)的參數(shù)。在討論關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)概念的問題時,既要有設(shè)計團隊中的相關(guān)人員,也要有建設(shè)單位中的相關(guān)人員,力求在設(shè)計方案的形成過程中,對建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計概念達(dá)成一致。通過對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的前期內(nèi)容探討,提升對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的準(zhǔn)確性和完備性,并降低因建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計概念和設(shè)計方案內(nèi)容模糊而導(dǎo)致的后續(xù)施工進度推遲的可能性[3]。此外,在建立建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計概念時,把建筑的各個方面都結(jié)合起來進行系統(tǒng)性的討論,可以有效的加深相關(guān)人員對建筑項目和結(jié)構(gòu)設(shè)計的理解。

2.2 建筑安全結(jié)構(gòu)技術(shù)優(yōu)化措施

在施工過程中必須貫徹“安全第一”的方針,以保證施工質(zhì)量的持續(xù)提升?；诖?建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計者必須對周圍的自然環(huán)境有一個較為透徹的了解,并做出合理的判斷,特別是在連續(xù)降雨或較大的季節(jié)降雨區(qū)域,要注意降雨對建筑物本體的不利影響,在進行設(shè)計時要有針對性的應(yīng)對措施。在此基礎(chǔ)上,工程設(shè)計者要充分認(rèn)識到在特定的自然條件下如地震等,對工程進行合理的防護,使其在特定的自然條件下,仍然具有較強的抗災(zāi)能力。在建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能分析中,應(yīng)考慮建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。

3 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

3.1 工程概況

筆者選擇了一棟住宅樓作為研究對象,該大樓的總高度為80 m,是一種具有A 類高度的鋼筋混凝土高層建筑。本項目的主要結(jié)構(gòu)是一種現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu),安全等級為三級,抗震設(shè)防級別為乙類,它的設(shè)計使用年限為50年,抗震設(shè)防烈度為8度,建筑場地類別為II類,設(shè)計基本地震加速度為0.05 g。該地區(qū)的基礎(chǔ)風(fēng)壓力為0.362 k N/m,積雪壓力為0.462 k N/m。本工程的風(fēng)荷載系數(shù)為1.4,地表的粗糙度為B級。

該區(qū)域的原有地形為漣水河流域的沖沉積階地。井眼孔口標(biāo)高大約為48 m。該地基屬于中等強度的軟黏土,該地基屬于二類。從上到下的各個層次如圖1所示。

圖1 工程地基各個土層

3.2 結(jié)構(gòu)選型

3.2.1 豎向結(jié)構(gòu)選型

本工程為26層80 m 的多層住宅,根據(jù)住宅樓的高度和用途,有兩種結(jié)構(gòu)型式可供選用。然而在純住宅小區(qū)中,框架柱的存在會在某種程度上影響到整體的空間感受,而且住宅小區(qū)中的房屋劃分也不夠規(guī)范,這就導(dǎo)致框架柱的網(wǎng)絡(luò)化布置很難做到規(guī)則均勻。盡管在承載力方面,柱的抗側(cè)向承載力比剪力墻低,但是柱的抗側(cè)向承載力更強,且柱的抗側(cè)向承載力也更強。將中部圓柱與剪力墻結(jié)合,可以構(gòu)成一種抗側(cè)能力很強的結(jié)構(gòu)體系,特別適合于多層結(jié)構(gòu)體系。但若在低烈度區(qū),又不是高層建筑時,因結(jié)構(gòu)剛度過大,容易造成地震效應(yīng)過大且成本過高[4]。通過比較兩種方法的優(yōu)缺點,最終確定采用剪力墻承重結(jié)構(gòu)。

3.2.2 水平承重結(jié)構(gòu)選型

剪力墻既要承受豎向荷載,又要連接豎向荷載。所以,水平受力的設(shè)計對保證建筑物的總體穩(wěn)定和水平荷載的有效傳導(dǎo)起到了很大作用。對于水平荷載作用下的結(jié)構(gòu)形式,可分為板式、無梁式、密式、帶肋、帶肋和帶肋等。

鑒于《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》對50 m 及更大高度的剪力墻采用了現(xiàn)澆板,本工程采用了目前廣泛采用的現(xiàn)澆板來進行水平受力。另外,根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范,對于現(xiàn)澆式建筑,其混凝土強度一般為C20～C40,故本次工程選用C30。

3.2.3 底部結(jié)構(gòu)選型

在工程建設(shè)中如何選取合適的基礎(chǔ),直接影響到工程建設(shè)的安全,同時還影響到工程建設(shè)的成本和進度。所以,在建筑物的設(shè)計中選用穩(wěn)定性好、承載能力大、沉降量少的土層為基礎(chǔ)的承載層。此外,所選取的基礎(chǔ)形態(tài)也要具有一定的穩(wěn)定性,剛性大、變形小,而且要有很強的抗傾覆和抗滑移的能力,盡可能的避免由于地面不均勻的沉降而造成的傾斜。在多層結(jié)構(gòu)中,常有筏形基礎(chǔ)、箱形基礎(chǔ)、樁形基礎(chǔ)等[5]。

該項目采用鉆孔灌注樁法,采用現(xiàn)場澆筑水泥土作為圍護結(jié)構(gòu)。它是人工開挖成孔洞,然后在孔洞中放置鋼筋籠子并灌筑水泥土。該方法具有占地面積小、造價低、技術(shù)簡便的優(yōu)點,施工時可以在鉆孔中進行成井質(zhì)量檢測,通常適合于地下水水位低、土質(zhì)致密、干旱地區(qū)和多巖石地區(qū)。

3.3 剪力墻結(jié)構(gòu)布置原則

在超大型建筑物的總體設(shè)計中,首先要考慮建筑的抗震條件,然后對房屋平面布置進行合理的規(guī)劃,同時還要對房屋的構(gòu)造進行合理的規(guī)劃,最后才考慮超大型建筑物的設(shè)計要求。所以在進行抗震設(shè)計時,應(yīng)綜合考慮其結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、房屋尺寸、剛度分配和各部分的性能。在此基礎(chǔ)上,本文擬在建筑節(jié)點、轉(zhuǎn)角處等適當(dāng)位置,采用多種形式的墻板,利用梁板將其與墻面進行高效連接,以增強其抗彎承載力。在上述研究的基礎(chǔ)上,依據(jù)結(jié)構(gòu)的性能需求及設(shè)計條件,對結(jié)構(gòu)進行以下幾方面的優(yōu)化:

(1)充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)的橫向剛性,以抵抗強地震、強風(fēng)等載荷;

(2)充分發(fā)揮建筑材料的力學(xué)性能。

在上述原則的基礎(chǔ)上,參照規(guī)范中關(guān)于剪力墻布置的規(guī)定,筆者做以下幾點的探討:

(1)為了保證框架的剛度不致過大,必須在合適的部位多加幾塊壁面。在同樣的洞口和肢長情況下,剪力墻的厚度是固定的,但是墻的長度和數(shù)量是可以調(diào)整的。筆者從建筑結(jié)構(gòu)的地震防護角度出發(fā),探討了建筑結(jié)構(gòu)的抗震防護方法;

(2)盡量選用同一支柱,使各構(gòu)件間的地震反應(yīng)均勻,并有效地抑制墻體的超筋現(xiàn)象;

(3)除了建筑的窗口外,還可以根據(jù)樓房的設(shè)計及使用需求,增加樓房的開洞口。同時,在結(jié)構(gòu)的各個層面上,要明確梁間的傳能路徑,盡量減少出現(xiàn)多層結(jié)構(gòu)的傳力現(xiàn)象。由于梁的跨度非常短,因此,如果不是剛度需要,梁高設(shè)置不用過高。

3.4 設(shè)計方案的優(yōu)化

房屋建筑的特點為:由于建筑單體數(shù)量較多,導(dǎo)致了其在空間上的分布不均勻,豎向沒有特定的構(gòu)件、布置規(guī)律,易發(fā)生意外等。在進行剪力墻的設(shè)計時,要考慮到墻體的位置、尺寸和數(shù)量等因素。筆者以原設(shè)計計劃為依據(jù),以某住宅項目為例,以剪力墻的布置及數(shù)量為依據(jù),對該建筑實際方案進行優(yōu)化設(shè)計。

方案一:原先方案是遵循了規(guī)范中所確定的剪力墻布局的原則,并以建筑的平面特點為基礎(chǔ),對其進行了布局。其標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面圖如圖2所示。

圖2 方案一結(jié)構(gòu)平面布置圖

方案二:從優(yōu)化布置角度來看,根據(jù)以下幾個方面進行優(yōu)化:

(1)強化邊緣,弱化中心;

(2)墻肢的形狀規(guī)則,盡量減少復(fù)雜墻肢的應(yīng)用;

(3)用連梁或框架梁將該剪力墻聯(lián)結(jié)在一起,以保證該剪力墻的整體剛度。

該標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面圖如圖3所示。剪力墻結(jié)構(gòu)單位面積的重力采用15 k N 進行計算取值,即G=15 k N/m2×12 000m2=180 000 k N,使運算大大簡化。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定,為確保在地震作用下的安全,[θ]max=1/2 000,αmax=0.035,Tg=0.04ψT=0.80,計算出FEK=1 128.58 k N。根據(jù)結(jié)構(gòu)的約束條件,EIeq≥2.7H2Σni=1Gi進行結(jié)構(gòu)驗算,得出在同一軸上,剪力墻結(jié)構(gòu)所需的總抗側(cè)剛度Ecleq=3.58×109k N/m2。根據(jù)工程實際情況,本研究擬使用彈性模量平均值Ec=3.20×104k N/mm2。在設(shè)計方案二中,X方向上的抗側(cè)剛度為EcIeq=6.89×109k N/m2,Y 方向上的抗側(cè)剛度為EcIeq=5.78×109k N/m2,此模式抗側(cè)等效剛度較大,有待進一步優(yōu)

圖3 方案二結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖4 方案三結(jié)構(gòu)平面布置圖

4 結(jié)語

我國住宅建設(shè)日益受到重視,人們對住宅的需求從單純的實用性、安全性,向美觀、經(jīng)濟、適用等方面傾向。為了保證住宅建筑的正常使用,必須對其進行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計,以達(dá)到提高建筑利用率、節(jié)約成本的目的。為此,結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)引進全新的設(shè)計理念,從建筑的使用功能、施工現(xiàn)場環(huán)境、設(shè)計使用壽命等全面地分析建筑結(jié)構(gòu),從建筑主體結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)形式、給排水系統(tǒng)、構(gòu)件等多方面來對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計進行優(yōu)選,采取最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案,既可以滿足人們的生活需要,又可以促進建筑業(yè)的高品質(zhì)發(fā)展。