高层住宅设计中的三轮结构优化法

第一轮优化：参与建筑方案的设计
　　当前的住宅设计方案有越来越复杂的趋势，尤其平面凹凸多、开大洞等情况非常常见。建筑方案阶段往往只有设计公司的方案组或者是专业方案公司参与，结构设计师参与程度极低。其实结构布置合理是建筑物造价经济的基础，结构设计师应该在方案阶段主动与建筑师沟通，在充分尊重业主意愿的前提下，尽量控制建筑物的规则性。
　　1.1平面规则性控制
　　(1)减少平面凹凸
　　平面凹凸少，则墙体面积相对于单层平面面积的比值就小，则墙体用钢量就少。剪力墙体的用钢量占总用钢量的比重50%左右，所以减少平面凹凸对降低含钢量效果显著。另外，如果凹凸程度接近高规给定的限值，模型计算时地震作用在凹凸部位的墙体中产生较大内力，计算配筋会比较大。
　　(2)降低长宽比
　　平面长宽如达到5~6，建筑物两主轴方向的动力特性相差甚远，在水平力（地震或风力）作用下，两向构件受力的不均匀性构成配筋不均匀，使得其单位面积用钢量相对于平面长宽比接近1.0的建筑物要多。
　　(3)减少平面开大洞
　　平面开大洞首先会引起墙体面积增加，笔者曾经做过一个在核心筒两侧架设空中走廊的大高层，墙率（扣除门窗洞口的剪力墙横截面面积与楼层结构面积之比）达到了6.5%，而根据经验高层剪力墙住宅的经济墙率是5%左右。
　　另外，平面开大洞使得模型计算时地震作用扭转效应明显，在周边墙体中产生较大内力。前述大高层两侧山墙全长全高采用了250厚砼墙来抵抗地震扭转作用。而同一地区、同一高度的另一栋大高层因为平面规则对称，仅1层架空层两侧山墙端部用了250厚砼墙，上部山墙端部全采用200厚砼墙。
　　1.2竖向规则性控制
　　(1)降低高宽比
　　竖向高宽比大，结构整体稳定性差，结构整体倾覆弯矩在平面较短方向上产生较大的内力，增加了墙体的计算配筋。
　　(2)避免竖向薄弱层
　　地上首层如果做成架空层容易变成结构上的薄弱层，薄弱层要根据抗规加大地震力计算，增大了墙体的计算配筋。可以通过加大架空层砼墙厚度或者降低架空层高度的方法避免结构上的薄弱层。
　　(3)避免转换层
　　竖向如有转换层，高层的抗震等级按抗规提高，模型计算的构件内力增大，转换层配筋是标准层的3倍，转换层以下每层的配筋是标准层的1.5倍。所以结构师应努力避免在高层住宅中设转换层，如能控制仅少量墙肢不落地且其负荷面积占楼层面积范围很小时(小于10%)，可按仅个别构件转换考虑，不必把整个层都作为转换层。
　　第二轮优化：模型计算注意事项
　　(1)正确选取荷载
　　楼面（屋面）附加恒载、墙体线荷载应根据具体项目建筑做法计算。楼面活载取值应按照荷载规范取用，不要随意放大。对于一些特殊功能的区域，应会同其他专业共同决定荷载的取值。
　　(2)正确选取模型前处理参数
　　以SATWE结构计算为例，目前不同的设计公司会有些不同的规定，这里仅列举一些普遍认同的正确参数的选取：①梁弯矩放大系数是SATWE早期为没有做活载最不利布置而设定的,如已经选择了活载不利布置的,则该系数不再需要放大。②梁刚度放大系数主要是考虑现浇楼板作为梁的有效翼缘提高了楼面梁的刚度,住宅设计中中梁取1.6较合理(该系数与梁高、板厚、板的边界条件有关)，如人为放大梁刚度会引起配筋增加。③住宅设计时传给基础的活荷载应该选择折减。
　　(3) 梁、板布置合理性
　　住宅建筑板跨往3.0m~4.0m靠，楼板厚度往100mm~120mm靠，不要遇隔墙就设梁，可以在板上砌墙。如果板跨小，布梁多时肯定用钢量会增多。通过调整梁截面和板厚，使梁、板配筋率尽量远离最大配筋率。
　　第三轮优化：合理选择基础形式和构造措施
　　(1)合理选择基础形式
　　高层住宅的基础造价约占总造价比重很大，正确选择基础类型、合理布置基础将会降低造价。
　　除小高层外，高层住宅通常采用桩筏基础或者桩基承台基础。采用桩基时，需进行桩型、桩径、桩长等多方案技术经济性比较，而且要同时考虑承台造价。不同地质情况可选用不同桩型，地基土对桩的支承能力尽量接近桩身结构强度。布桩时按群桩形心、荷载中心、基础形心“三心”尽量靠近原则作优化调整。少用联合承台，避免或减少一柱一桩，尽量将桩布置在墙下，这样上部荷载直接传递给桩，承台厚度可适当减小。筏板基础宜适当出挑，一般出挑0.5m一2m左右，有基础梁时宜将梁一起出挑。
　　(2)合理选择构造措施
　　砼墙体分布筋、楼板钢筋和梁柱箍筋用量巨大，应注意满足砼规、高规、抗规等要求即可。
　　高层住宅底部加强部位根据计算结果和经验适当加强墙体配筋,上部墙体构造边缘构件纵筋、箍筋和墙体分布筋根据高层规范配筋，不可以随意增加。地下室顶板、住宅平面两端部的楼板、转换层楼板、平面开大洞周边的楼板、平面较大凹进或凸出的楼板、住宅顶层的楼板，这些特殊楼板根据高层规范、住宅通病防治规定、超限高层审查规定等适当增加配筋，不可以随意增加。
　　结语
　　因为本文开头所提到的原因，今后若干年开发商对建筑物含钢量的控制会越来越重视。另一方面，国家新的抗规对结构计算和构造措施的要求又越来越严。在这样的“两难”处境下，结构师只有深入学习规范条文，努力寻找结构优化设计的良策，才能设计出既安全又经济的建筑作品。
　　
　　参考文献：
　　[1]JGJ 3-2002高层建筑混凝土结构设计规程.
　　[2]蔡玉龙，阚轩. 精益求精，设计安全、经济的住宅作品. 建筑与结构设计,2010(7).